Бъгове в кода на живота. Основното за проекта Sc2.0, който се учи как да се създават организми от нулата

Глобален консорциум пренаписа всички 16 хромозоми и състави подробен списък на грешките и успехите.

Създаването на организъм от нулата звучи като нещо от научната фантастика, но за синтетичните биолози това е рутинна реалност от близо десетилетие. Международният екип от изследователи, който за първи път в света пренаписа целия геном на еукариотна клетка, обобщи резултатите от своя маратон в статия в списание Nature Biotechnology и подробно описа какво се е получило по този начин и какви са се оказали болезнените грешки.

Става дума за проекта Synthetic Yeast Genome Project (Sc2.0). Повече от 200 учени от дузина институти обединиха усилията си, за да преработят и синтезират по химичен път всички 16 хромозоми на хлебната мая. Всъщност те пренаписаха целия геном на този добре проучен организъм от около 12 милиона базови двойки. Екипът от университета „Маккуори“ отговаряше за две хромозоми, т.е. за около 12% от проекта.

За разлика от класическото генно инженерство, при което учените правят промени точка по точка в съществуващата ДНК, участниците в Sc2.0 са решили да пренапишат генетичния код от нулата. За всяка хромозома са използвани единни принципи на проектиране: премахнати са нестабилните фрагменти, добавени са молекулярни „водни знаци“ за разграничаване на синтетичната ДНК от естествената ДНК и е внедрена системата SCRaMbLE за разбъркване на гените и наблюдение как се променя клетъчната функция.

Синтетичните хромозоми са сглобени от големи блокове ДНК, съдържащи хиляди базови двойки, след което тези фрагменти постепенно са въведени в клетките на живи дрожди. След това в играта се включи и самият организъм: неговите клетъчни механизми „пришиха“ новите парчета ДНК на правилните места. Когато всички 16 хромозоми били завършени, изследователите имали безпрецедентна възможност да изучат как е организиран геномът, но не в мащаба на отделните гени, а на цялата пренаписана система.

Въпреки това, дори и с единна ДНК архитектура, за всички екипи изникнаха едни и същи проблеми. Авторите на статията честно ги наричат „бъгове“ и ги изброяват подробно, за да не се налага на бъдещите синтетични биолози да стъпват на същите грабливи места. Малките водни знаци, които е трябвало да бъдат „тихи“, понякога неочаквано прекъсвали работата на важните гени. Гените, разпознати като маловажни от старите данни, когато били изтрити, водели до забележими проблеми с растежа на клетките.

Отделно главоболие представляваше митохондриалната ДНК. Дрождите не знаят как да поправят митохондриалния геном от нулата, така че всяко увреждане се превръщаше в малка спасителна операция. Трябваше първо да се открие и поправи грешката, а след това внимателно да се въведат здрави митохондрии в клетката чрез селекция и кръстосване.

За да отстранят бъговете в този „жив код“, екипите са разработили цял набор от инструменти. Сред тях е методът, наречен Pooled PCRtag Mapping, който им позволява едновременно да проверят стотици колонии дрожди и бързо да разберат коя точно генетична модификация е причинила повредата. Друг пример е подходът, наречен CRISPR D-BUGS, който съчетава редактирането на генома със стратегии за размножаване, за да помогне да се определят проблемните места.

Най-трудната част от проекта е била не само техническа, но и психологическа, признават участниците в проекта. Годините на упорита работа, бавният напредък, клетките, които растат слабо и постоянно се „чупят“, изискват упоритост, колкото и научна изобретателност.

Опитът с дрождите вече полага основите на много по-амбициозни задачи. Екип от университета „Макуори“ и Австралийската геномна фондация започна работа по първата в света синтетична хромозома на селскостопански култури, което е стъпка към създаването на напълно синтетични растителни геноми. При растенията нещата са по-сложни: те растат бавно, а клетките им се модифицират и възпроизвеждат по-трудно. Затова учените са избрали заобиколен път и първо събират синтетичната растителна хромозома в дрожди, а след това планират да я прехвърлят в растителните клетки.

Авторите на тази научна работа подчертават, че основният принцип на целия проект може да се формулира като „учене чрез създаване“. Докато преработват генома на дрождите, в същото време откриват много подробности за това как точно работи генетичният код и благодарение на какво живите системи остават жизнеспособни след сериозни интервенции. И ако се съди по думите им, най-интересните изводи тепърва предстоят.

Моментът, в който цялата синтетична ДНК се намира в една клетка, ще бъде не само крайъгълен камък за синтетичната биология. Той обещава да осигури много по-задълбочено разбиране на механизмите, които са в основата на екосистемите, селското стопанство и съвременната медицина, които досега трябваше да се изучават откъслечно.