Budowanie chromosomu od podstaw może brzmieć jak science fiction, ale naukowcom rzeczywiście się to udało – i sprawiło, że zadziałało. W ramach ambitnego wysiłku badacze stworzyli całkowicie syntetyczny chromosom drożdży, organizmu powszechnie występującego w piekarnictwie i browarnictwie. Prawdziwa niespodzianka? Po dokładnym naprawieniu niektórych usterek, wytworzony w laboratorium chromosom umożliwił drożdżom normalny wzrost, nawet w stresujących warunkach, takich jak ciepło i niedobory składników odżywczych. To osiągnięcie jest częścią projektu Synthetic Yeast Genome Project w wersji 2.0, który bada, w jaki sposób specjalnie zbudowane geny mogą zmienić nasze rozumienie biologii i doprowadzić do powstania nowych, potężnych technologii.
Badaniami kierowali naukowcy z Macquarie University, w tym profesor Isak Pretorius, profesor Ian Paulsen, dr Hugh Goold i dr Heinrich Kroukamp, a także zespoły z Johns Hopkins University i University of Edinburgh. Wyniki opublikowane w czasopiśmie Nature Communications opisują, w jaki sposób zbudowali, a następnie naprawili ten syntetyczny chromosom, aby pomóc drożdżom rosnąć i zachowywać się jak oryginał. Ulepszenia opierały się na wcześniejszych wnioskach z tego samego projektu i obejmowały nowe, sprytne metody udoskonalania projektu i działania syntetycznego DNA.
Tworzenie syntetycznego chromosomu przebiegało etapowo. Segmenty wytworzono oddzielnie w różnych szczepach drożdży, a następnie połączono poprzez krzyżowanie i naturalne mieszanie DNA. Początkowo sztuczny chromosom powodował słaby wzrost drożdży, szczególnie w trudnych warunkach, takich jak wysokie temperatury lub ograniczone źródła pożywienia. Naukowcy zastosowali metodę opartą na nowoczesnym narzędziu do edycji genów o nazwie DNA-Based Upgrading of Genomic Systems, aby określić, które części syntetycznego chromosomu są odpowiedzialne za problemy. Jeden z głównych problemów stwierdzono w genie odpowiedzialnym za przenoszenie miedzi do komórek. Zmiany w regionie kontrolującym aktywację tego genu zakłócały zdolność drożdży do przeżycia. Inny problem wynikał z genu powiązanego z podziałem komórki, którego zmiany w projekcie zakłóciły jego normalne funkcjonowanie.
Przywrócenie oryginalnych sekwencji kontrolnych i ponowne wprowadzenie pewnych pomocniczych cząsteczek RNA, znanych jako transferowy RNA, pomogło rozwiązać problemy związane ze wzrostem. Według profesora Pretoriusa: „Zidentyfikowaliśmy kluczowe błędy spowodowane umieszczeniem miejsc rekombinacji w pobliżu regionów regulacyjnych genów, co miało niezamierzone konsekwencje dla ekspresji genów i sprawności komórkowej”. Te poprawki pozwoliły drożdżom odzyskać zdrowy wzrost nawet w trudnych warunkach, dzięki czemu zachowują się znacznie bardziej jak naturalny szczep.
Te poprawki doprowadziły do cennych spostrzeżeń. Wiele problemów wynika z małych znaczników DNA, które umieszczono zbyt blisko regionów kontrolujących ważne geny. Zespół zareagował, opracowując czystszą wersję, zwaną syntetyczną wersją szesnastego chromosomu 2.0. Ta zaktualizowana wersja usunęła problematyczne obszary, poprawiła sygnały zatrzymujące geny i zmniejszyła liczbę dodanych znaczników DNA. Te kroki pomogły w skuteczniejszym funkcjonowaniu syntetycznego chromosomu i dały naukowcom bardziej niezawodny model budowania sztucznych chromosomów w innych organizmach.
Zaangażowani w proces stopniowego doskonalenia, badacze przeszli cykl projektowania, testowania i udoskonalania. Odkryli, że chociaż drożdże tolerują wiele zmian w swoim materiale genetycznym, niektóre jego części — szczególnie te znajdujące się poza obszarami kodującymi białka i geny z niewielką liczbą substytutów — wymagają szczególnej uwagi. Dodanie całego brakującego transferowego RNA do małego, oddzielnego koła DNA znacząco poprawiło zdrowie drożdży, szczególnie w stresujących warunkach wzrostu.
Te wnioski z syntetycznego chromosomu szesnastego, teraz zastosowane w silniejszej, działającej wersji, stanowią dla społeczności naukowej solidny przykład tego, jak zbudować sztuczne chromosomy, które naprawdę działają. Odkrycia te mogą pomóc w projektowaniu dostosowanych do indywidualnych potrzeb chromosomów nie tylko dla drożdży, ale także dla roślin i zwierząt – gdzie jeszcze ważniejsze jest zachowanie równowagi genetycznej. Ostatecznie ten ulepszony projekt chromosomu podkreśla, co można zrobić za pomocą dzisiejszych narzędzi genetycznych, i zapewnia przydatny plan działania w zakresie budowania złożonych systemów genetycznych, które są stabilne, skuteczne i gotowe na przyszłe innowacje.
Odniesienie do czasopisma
Goold HD, Kroukamp H., Erpf PE i in. „Budowa i iteracyjne przeprojektowanie synXVI syntetyczny o wielkości 903 kb Saccharomyces cerevisiae chromosom.” Komunikacja przyrodnicza, 2025. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55318-3
O Autorach
Profesor Isak Pretorius jest czołową postacią w biologii syntetycznej i biotechnologii, najbardziej znanym ze swojej pracy nad genetyką drożdży i inżynierią genomu. Pracując na Uniwersytecie Macquarie w Australii, odegrał kluczową rolę w światowych wysiłkach mających na celu projektowanie i konstruowanie syntetycznych genomów eukariotycznych, w tym w przełomowym projekcie syntetycznego genomu drożdży. Dzięki doświadczeniu w mikrobiologii i pasji do przeprogramowywania systemów biologicznych profesor Pretorius wniósł znaczący wkład w rozwój niestandardowych narzędzi genetycznych do zastosowań przemysłowych i badawczych. Jego przywództwo łączy nauki podstawowe i innowacje stosowane, szczególnie w takich dziedzinach, jak produkcja wina, fermentacja i bioinżynieria. Jest także uznawany za mentoring dla początkujących badaczy i wspieranie międzynarodowej współpracy w projektach na skalę genomu.
profesora Iana Paulsena jest uznanym ekspertem w dziedzinie genomiki drobnoustrojów na Uniwersytecie Macquarie, gdzie koncentruje się na biologii systemów, biologii syntetycznej i zastosowaniach mikrobiologicznych w środowisku. Jego badania obejmowały badania fizjologii drobnoustrojów, sieci metabolicznych i inżynierii genetycznej mikroorganizmów do celów biotechnologicznych. Profesor Paulsen, kluczowy wkład w projekt syntetycznego genomu drożdży, przedstawia podejście oparte na danych do zrozumienia i przeprojektowania genomów drobnoustrojów. Jego prace często integrują modelowanie obliczeniowe i genomikę funkcjonalną, aby stawić czoła globalnym wyzwaniom w zakresie zrównoważonego rozwoju i biotechnologii przemysłowej. Dzięki silnemu zaangażowaniu w badania interdyscyplinarne jest uznawany za wypełniającego lukę między biologią obliczeniową a naukami eksperymentalnymi.
Doktor Hugh Goold jest starszym naukowcem, uznanym za specjalistyczną wiedzę z zakresu biologii molekularnej i inżynierii genomu. Jest powiązany z Departamentem Przemysłu Podstawowego Nowej Południowej Walii i intensywnie pracował nad zastosowaniami biologii syntetycznej w drożdżach i innych układach drobnoustrojów. Jako jeden z kluczowych autorów projektowania i debugowania syntetycznego chromosomu XVI, dr Goold pomógł w przekroczeniu granic inżynierii w skali genomu. Jego praca koncentruje się na poprawie stabilności genetycznej, funkcjonalności i wydajności organizmów syntetycznych. Dzięki praktycznemu doświadczeniu w biologii stosowanej badania dr Goolda często przekładają się na narzędzia i strategie o szerokim znaczeniu dla przemysłu i rolnictwa, w tym bezpieczeństwo biologiczne i zrównoważoną biotechnologię.
Doktor Heinrich Kroukamp jest biotechnologiem zajmującym się drobnoustrojami, znanym ze swojej pracy nad konstrukcją syntetycznego genomu i inżynierią komórkową. Mieszka w Australii i jest związany z MicroBioGen i Macquarie University. Brał udział w głównych międzynarodowych wysiłkach na rzecz opracowania syntetycznych chromosomów drożdży. Doświadczenie dr Kroukampa polega na opracowywaniu szczepów, optymalizacji fermentacji i rozwiązywaniu biologicznych wąskich gardeł w organizmach zmodyfikowanych. W projekcie Synthetic Yeast Genome Project odegrał kluczową rolę w testowaniu, debugowaniu i udoskonalaniu syntetycznego DNA, aby zapewnić solidny wzrost i wydajność. Jego badania łączą projektowanie molekularne z wynikami praktycznymi, przyczyniając się do innowacji w takich obszarach, jak fermentacja przemysłowa, bioprodukty odnawialne i fizjologia drobnoustrojów.
