生物の遺伝子を操作する私たちの能力は、近年劇的に拡大しました。 現在、研究者らは50パーセント以上の合成DNAを持つ酵母株を発表し、ゲノムをゼロから構築することに一歩近づいている。
2006 年以来、合成酵母ゲノム プロジェクトと呼ばれる研究者の国際コンソーシアムが、ビール酵母のゲノム全体を書き換えることを試みています。 この生物は私たちと同じ真核生物であり、バイオ燃料、医薬品、その他の高価値の化学物質を生産するためにバイオテクノロジー産業でも広く使用されているため、魅力的な標的です。
研究者らはこれまでにウイルスや細菌のゲノムを書き換えてきたが、酵母のDNAは16本の染色体に分かれているため、より困難である。 進歩を加速するために、参加する研究グループはそれぞれ、異なる染色体を結合する前に、異なる染色体を書き換えることに焦点を当てた。
研究チームは現在、16 本の染色体すべての新しいバージョンの合成に成功し、まったく新しい染色体を作成しました。 の一連の論文で セル および 細胞ゲノミクス、研究チームはまた、これらの合成染色体のうち 50 つと別の染色体の断片を XNUMX つの細胞内で組み合わせることに成功したことも報告しています。 合計すると、それらは細胞の DNA の XNUMX% 以上を占めます。
「私たちの動機は、合成ゲノムを構築することでゲノムの基礎の第一原理を理解することです」と共著者であるマンチェスター大学のパトリック・イージ・カイ氏は論文で述べた。 プレスリリース。 「チームは現在、出芽酵母のオペレーティング システムを書き換えました。これにより、工学生物学の新時代が開かれます。これは、少数の遺伝子の改変から、ゲノム全体の新規設計と構築へと移行します。」
合成染色体は通常の酵母の染色体とは著しく異なります。 研究者らは、反復的で特定のタンパク質をコードしていないかなりの量の「ジャンク DNA」を除去しました。 特に、トランスポゾンとして知られる DNA の一部 (予測不可能な方法で自然に組み換えが起こる可能性があります) を切断して、ゲノムの安定性を向上させます。
彼らはまた、転移 RNA をコードするすべての遺伝子を完全に新しい 17 番目のゲノムに分離しました。 これらの分子はアミノ酸を細胞のタンパク質工場であるリボソームに運びます。 蔡 言われ 科学 tRNA 分子は「DNA 損傷のホットスポット」です。 研究グループは、それらを分離し、いわゆる「tRNAネオ染色体」に収容することで、制御下に置くことが容易になると期待している。
「tRNA ネオ染色体は、世界初の完全に新規合成された染色体です」と Cai 氏は言います。 「自然界にはこのようなものは存在しません。」
もう一つの重要な変化により、有用な新しい酵母菌株を発見する取り組みが加速する可能性がある。 研究チームはSCRaMbLEと呼ばれるシステムをゲノムに組み込み、染色体内の遺伝子を迅速に再配置できるようにした。 この「誘導可能な進化システム」により、細胞は潜在的に興味深い新しいゲノムを迅速に循環することができます。
「これはトランプをシャッフルするようなものです」と共著者であるニューヨーク大学ランゴンヘルスのジェフ・ボーク氏は言う 言われ ニュー·サイエンティスト。 「スクランブル システムは本質的に超高速化の進化ですが、オンとオフを切り替えることができます。」
変更された染色体のいくつかを同じ酵母細胞に導入するために、Boeke のチームは、ゲノムの異なる組み合わせを持つ細胞を交配する、長期にわたる交雑育種プログラムを実行しました。 それぞれの段階で、 広範な「デバッグ」プロセス、合成染色体が予測できない方法で相互作用したためです。
このアプローチを使用して、チームは50本の完全な染色体と別の染色体の一部を細胞に組み込み、生き残って成長させました。 その後、彼らはドナー細胞から最大の酵母染色体を移入する染色体置換と呼ばれる方法を開発し、合計をXNUMX倍に増やし、合成DNAの総量をXNUMXパーセント以上に増加させた。
17 個すべての合成染色体を XNUMX つの細胞に入れるにはかなりの追加作業が必要ですが、中間点を越えることは大きな成果です。 そして、もしチームが完全合成ゲノムを持つ酵母を作ることができれば、生命の暗号を操作する私たちの能力に大きな変化が起こることになるでしょう。
「私はこれを終わりの始まりではなく、始まりの終わりと呼びたいと思っています。なぜならその時こそ、私たちが実際にデッキをシャッフルし始め、これまで見たことのないことを行うことができる酵母の生産を開始できるからです。 」とブーケ氏はプレスリリースで述べている。
画像クレジット: 部分合成酵母の走査型電子顕微鏡写真 / Cell/Zhao et al.
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