Продолжается самый масштабный (количественно и качественно) эксперимент генной модификации организма-эукариота.
Международная группа из более чем 200 ученых опубликовала в журнале Science последние результаты проекта Synthetic Yeast Project (Sc2.0), конечной целью которого является создание пекарских дрожжей с полностью синтетическим геномом. На данный момент синтезированы 6 хромосом, которыми заменили их природные аналоги. Организмы Saccharomyces cerevisiae, полученные в результате, вполне жизнеспособны и обладают несколькими заранее заданными сложными дизайнерскими свойствами.
Эукариоты – «нормальноядерные» – организмы, у которых генетический материал заключен в отдельную органеллу, окруженную мембраной-оболочкой, – ядро. Упрощенно можно сказать, что все живое, не являющееся бактериями (у них нет ядра), – эукариоты. Дрожжи – образцовый организм-эукариот как для обычного человека (достаточно вспомнить, как получаются хлеб и пиво), так и для биотехнолога. Будучи так называемым модельным организмом, дрожжи обладают наилучшими свойствами для изучения базовых процессов жизни клеток эукариот. Неудивителен, соответственно, и выбор организма командой Sc2.0 для столь беспрецедентных вмешательств.
Базовый принцип дизайна нового генома, декларируемый командой, – достичь баланса между сохранением фенотипа «дикого вида» (внешних характеристик природного варианта подвида S288C), введением индуцированной геномной «подвижности» и удалением источников геномной нестабильности.
Хромосомы, назначенные для синтеза подкомандам
Сохранение фенотипа достигается за счет сохранения собственно генов. Их порядок и количество на хромосомах решили не менять, за исключением отдельных важных специфических групп.
Индуцирование геномной «подвижности» достигается за счет рекомбинационной системы SCRaMbLE, которая тасует участки хромосом при подаче определенного сигнала на специально введенные в геном на стратегические места участки loxPsym. Этим достигается возможность включения симуляции одного из глобальных, «больших» механизмов эволюции на масштабе всего генома. В то же время, ученые попытались удалить такой масштабный источник геномной эволюции, как мобильные элементы, которые при определенных условиях сами себя «копипастят» или «катпастят» с непредсказуемым результатом. Можно сказать, что ученые взяли макроэволюцию генома дрожжей из рук случайности в свои.
Другие изменения самого кода включают выделение генов трансферных РНК на отдельную неохромосому, удаление множества интронов, включение в геном специальных тегов для удобства различения в клетках синтетических и естественных хромосом, а также включение спецучастков для упрощения сборки хромосом. Среднее расстояние между участками, отличающими синтетический геном от естественного, мало – около 400 базовых пар ДНК.
Синтез, при всей своей революционности, все же происходил не с нуля, а путем удаления и присоединения новых участков к естественным хромосомам (иерархическая рекомбинация). Для ускорения процесса разные хромосомы были заданы для синтеза подкомандам в разных странах. Сборка нескольких искусственных хромосом в одной клетке также происходит иерархически.
Используя методы фенотипирования, структурной и функциональной геномики, ученые убедились в нормальном функционировании синтетических дрожжей. Один из таких методов контроля успешного хода проекта — контактный анализ хромосом. Современный метод Hi-C позволяет анализировать внутреннюю структуру ядра путем вычисления вероятностей контактов хромосом самих с собой и между собой на разных участках. Трехмерная версия такой визуализации наглядно показала, что искусственные хромосомы, несмотря на свою укороченность (удалены интроны) и дизайнерские вставки, занимают положения в ядре, сходные со своими природными аналогами. На иллюстрации ниже каждая хромосома представляет собой пару ветвей разной длины, свисающих из определенной точки на своем протяжении – центромера (белые кружки вверху на A). Выделенные цветом искусственные хромосомы на B, C и D однозначно в целом соответствуют своим аналогам на A по положению и ориентации. Следует заметить, что эта визуализация – именно вероятностно-усредненная по миллиардам клеток, так что показаны не «положения» ветвей, а нечто отдаленно ассоциирующееся с квадратом модуля пси-функции в квантовой механике.
Работа по сборке велась и ведется «снизу вверх», с полным компьютерным моделированием, пошаговым синтезом участков с последующим дебаггингом. На данный момент команда не столкнулась с серьезными принципиальными багами, которые бы поставили под вопрос возможность реализации проекта или теоретическую базу дизайна.
Synthetic Yeast Project — наиболее значительный «акт творения» живого человеком на сегодняшний день. Дрожжи теперь станут не только самым изученным эукариотом, но и точкой опоры, благодаря которой можно учиться путем создания. Книгу жизни вряд ли можно понять, не попытавшись ее написать.
Команда планирует закончить сборку организма к концу 2017 года.
Комментарии (18)
NetBUG
31.03.2017 19:32tabmoo, по-моему, это образец для подготовки научно-популярной статьи по научной.
UJIb9I4AnJIbIrUH
31.03.2017 19:41Не совсем понял, что вы имели в виду?
Могу написать свои впечатления: меня в комментариях постоянно «ругают» за то, что я пишу не совсем понятным языком. А тут даже я чуть-чуть не понял в некоторых местах о чём речь, а где-то в половине случаев затрудняюсь предположить зачем некоторые вещи были сделаны.
tabmoo
31.03.2017 20:44+1Буду рад критике от Вас, UJIb9I4AnJIbIrUH, как я понял, Вы — профессионал. К сожалению, когда я понял, что мол. биология — это мое, была уже окончена Бауманка по совершенно другой теме.
По-моему, упрощать тут дальше некуда. Прошелся по самому верху.
NetBUG Может быть, потому, что я смотрю на мол. биологию как аутсайдер, так как учил ее сам.UJIb9I4AnJIbIrUH
31.03.2017 20:53По-моему, упрощать тут дальше некуда. Прошелся по самому верху.
Как это ни парадоксально, но если сильно упрощать, то снова становится непонятно что как работает и зачем всё это нужно. Но, повторюсь, это впечатление не относится к статье в целом, а только к некоторым моментам.
FransuaMaryDelone
31.03.2017 23:02А тут даже я чуть-чуть не понял
искренняя такая вера в свои силы, любуюсь прямо. Хорошо он написал, живо и интересно. А «кто захочет, тот разберется» (помнится, Вам это высказывание по нраву).UJIb9I4AnJIbIrUH
31.03.2017 23:23Те, кто мог бы запутаться в моих статьях делает это из-за серьёзных пробелов в школьной программе, но я специально для таких читателей всё, что нужно изложил в своей первой статье. А в данном случае человек с высшим образованием не до конца понял половину статьи. Улавливаете разницу?
И я не прошу мне что-либо объяснять, так как я действительно считаю, что «если хочешь сделать хорошо — сделай это сам». Просто обозначил впечатление.FransuaMaryDelone
01.04.2017 19:47Улавливаете разницу?
Улавливаю улавливаю. Уловил настолько, что впредь буду игнорировать статьи с Вашим авторством — всё равно ничего не понимаю. А вот авторов, пишущих понятно, я, хоть добрым словом, но буду поддерживать.
shadrap
31.03.2017 20:59На данный момент синтезированы 6 хромосом, которыми заменили их природные аналоги.
На данный момент их пять, судя по основной статье.
Да..., очень интересно посмотреть, что же получится у товарищей. Очень может быть, что окажется, что механизм мобильных элементов и длинных интронных вставок вовсе и не отработанный эволюцией материал...))tabmoo
31.03.2017 21:11Ну, в статье они пишут про шесть с половиной. И на рисунке их именно столько.
А почему он должен быть отработанным? Судя по тому, какие мощные механизмы сайленсинга выработались для противостояния, и какая катастрофа может произойти, если эти механизмы не сработают…
worldmind
31.03.2017 21:39+1Как раз на днях прочитал книгу "Сумма биотехнологии", насколько помню участки ДНК которые сами себя копируют/переносят называются транспозонами.
Кстати, читать я её собрался потому что в очередной раз пришлось подискутировать на тему ГМО, в итоге дискуссии я наконец-то сформулировал почему никаких ГМО нет, точнее почему ГМО это бессодержательное понятие.UJIb9I4AnJIbIrUH
31.03.2017 22:06ГМО это бессодержательное понятие
Чертовски верно! Поэтому в моих статьях никогда не будет этого «ругательства из трёх букв»)
FransuaMaryDelone
31.03.2017 22:45Я хоть наконец то понял, что такое «эукариоты». В целом респект.
Книгу жизни вряд ли можно понять, не попытавшись ее написать.
Блин, неужели скоро поймут?!tabmoo
31.03.2017 23:31Какой благодетель, интересно, смог так запутать определение «эукариот», что его сложно понять? Просто один из двух существующих базовых планов построения единичной клетки по принципу заключения генома в оболочку.
Хотя, это, конечно, лукавство. Живое «непрерывно» в разнообразии, поэтому даже в рамках абстрактных «базовых планов» начинается головная боль. Можно дать второй признак эукариот — то, что они являются эндосимбионтами. Это означает, что некая внутренняя часть эукариота была раньше отдельным организмом и была «съедена». Такими частями являются митохондрии и пластиды. Но и тут есть проблема в том, что бывают сложные, вложенные эндосимбионты, как бы эукариот внутри другого.
Насчет понимания тоже проблема. С течением времени открываются новые «коды»-подсистемы на клеточном уровне, помимо генома, которые надо расшифровывать, и которые определяют сложность. Например, код эпигенетических модификаторов, код не кодирующих белки коротких РНК разных видов, код белков и сигналов убиквитин-системы, код трехмерного влияния участков генома друг на друга. Пахать еще и пахать. Может, напишу про эти системы.FransuaMaryDelone
01.04.2017 19:32Может, напишу про эти системы.
Напишите пожалуйста, у Вас хорошо получается, правда. Не все, кто сам понял, может другим рассказать. У Вас это выходит.
UJIb9I4AnJIbIrUH
КДПВ изображает процесс деления Звезды Смерти по-моему