Исследователи создали синтетические геномы для нескольких типов бактерий, и 18-летний проект по созданию того же самого для пивных дрожжей близок к завершению. Теперь группа из Китая взялась за многоклеточный организм, синтезирующий часть генома мха. Достижение, о котором сообщается в журнале Nature Plants, может проложить путь к созданию искусственных геномов для других многоклеточных организмов, а также к превращению мха в фабрику по производству лекарств и других продуктов.
Китайская команда переработала только часть одной хромосомы у выбранного ею вида — раскидистого земляного мха (Physcomitrium patens). Но эта работа является «необходимым шагом» на пути к полностью искусственному геному растения, говорит Ян Эренрайх, специалист по синтетической геномике из Университета Южной Калифорнии. Это также «тревожный сигнал для людей, которые думают, что синтетические геномы предназначены только для микробов», — добавляет синтетический биолог Том Эллис из Имперского колледжа Лондона.
Перепроектируя геном организма, исследователи могут исследовать такие вопросы, как, например, какие последовательности важны и как их организация влияет на функцию генов. Они также могут наделять организм новыми возможностями, потенциально повышая его ценность для сельского хозяйства, промышленности, медицины или других целей.
Вместо того, чтобы создавать хромосомы с нуля, синтетические биологи начали с естественных и внесли множество изменений и упрощений. Дрожжевой проект, например, удалил ненужную ДНК, добавил новую хромосому для размещения генов, необходимых для синтеза белка, и внес другие изменения.
Хотя в определенных ситуациях дрожжи собираются в группы, обычно они живут в виде отдельных клеток. Таким образом, хотя они и являются эукариотами (организмами с клеточными ядрами), их геномы могут многое рассказать о более сложных, настоящих многоклеточных эукариотах, таких как растения и животные.
Синтетический биолог Цзюньбяо Дай из Института сельскохозяйственных геномов в Шэньчжэне, биолог развития Юлин Цзяо из Пекинского университета и их коллеги хотели пойти дальше. Но вместо того, чтобы работать с Arabidopsis thaliana , популярным модельным растением, которое исследователи изучали десятилетиями, они выбрали мох. Во-первых, в отличие от клетки арабидопсиса , одна клетка мха может вырасти в целое растение. В результате команде пришлось сконструировать всего одну клетку, чтобы преобразовать целый организм. Более того, ключевой процесс замены ДНК, который позволяет синтетическим сегментам интегрироваться в хромосомы, происходит у мха чаще, чем у арабидопсиса.
Для простоты китайский проект, получивший название SynMoss, начался с части короткого плеча 18-й хромосомы, самого маленького такого плеча в 26-хромосомном геноме растения. Затем исследователи приступили к обрезке и приведению в порядок ДНК. Они устранили транспозоны, мобильные элементы ДНК, обнаруженные у эукариот; добавлены короткие метки для обозначения измененной руки; стандартизировали трехбуквенные генетические коды, останавливающие синтез белка; и внес другие изменения. В общей сложности они сократили этот участок хромосомы на 56%. Затем ученые внедрили теперь уже частично синтетическую структуру в отдельные клетки мха и стимулировали их рост.
Полученные растения выглядели нормальными. Они были того же размера и формы, что и неизмененный мох, имели репродуктивные структуры и производили споры. Модифицированные растения были так же устойчивы к высоким уровням соли и другим стрессам, как и их природные аналоги. Однако команда обнаружила, что некоторые гены в синтетической области были более активны, чем обычно, и это изменение может быть разрушительным.
Результаты подтверждают спорное мнение о том, что транспозоны не важны для многоклеточных эукариот. Это открытие не положит конец спорам о том, полезны или вредны эти последовательности, говорит синтетический биолог растений Дженнифер Немхаузер из Вашингтонского университета. Но для ученых, которые утверждают, что они выгодны, «задача поставлена», говорит она.
Исследователи уже использовали распространяющийся земляной мох для производства некоторых химических веществ — например, препарат, синтезированный с помощью генетически модифицированных версий растения, проходит клинические испытания. Новый проект SynMoss должен стимулировать эти усилия, говорит биолог растений Ральф Рески из Фрайбургского университета Альберта Людвига, который изучает мох с 1985 года. Хотя растение уже было генетически модифицировано, «эта статья выводит его на новый уровень», прокладывая путь к еще большим – и более полезным – изменениям, говорит он.
Дай, Цзяо и коллеги вскоре займутся остальной частью короткого плеча 18-й хромосомы, а затем и всем синтетическим геномом мха. «Мы стремимся завершить это в течение следующих 10 лет», — говорит Дай. Даже с учетом помощи, которую они надеются получить от других лабораторий, это амбициозная цель. Геном растения примерно в 40 раз больше генома дрожжей.
