Частично синтетический мох открывает путь к растениям с дизайнерским геномом

Синтетическая биология уже переписывает жизнь.

В конце 2023 года ученые обнаружены дрожжевые клетки половина их генетической программы заменена искусственной ДНК. Это был «переломный» момент в 18-летний проект разработать альтернативные версии каждой хромосомы дрожжей. Несмотря на наличие семи с половиной синтетических хромосом, клетки размножались и процветали.

Новое исследование поднимает нас по эволюционной лестнице к дизайнерским растениям.

Для проекта под названием SynMoss команда из Китая перепроектировала часть единственной хромосомы в виде мха. Полученное частично синтетическое растение нормально росло и производило споры, что сделало его одним из первых живых существ с множеством клеток, несущих частично искусственную хромосому.

Индивидуальные изменения в хромосомах растения относительно невелики по сравнению с синтетическими дрожжами. Но это шаг к полной переработке геномов организмов более высокого уровня.

В интервью НаукаСинтетический биолог доктор Том Эллис из Имперского колледжа Лондона сказал, что это «тревожный сигнал для людей, которые думают, что синтетические геномы предназначены только для микробов».

Обновление жизни

Попытки переписать жизнь направлены не только на удовлетворение научного любопытства.

Работа с ДНК может помочь нам расшифровать историю эволюции и определить критические участки ДНК, которые поддерживают стабильность хромосом или вызывают заболевания. Эксперименты также могут помочь нам лучше понять «темную материю» ДНК. Загадочные последовательности, которые не кодируют белки, разбросаны по всему геному и долгое время ставили ученых в тупик: полезны ли они или просто являются остатками эволюции?

Синтетические организмы также облегчают создание живых существ. Например, бактерии и дрожжи уже используются для варки пива и производства жизненно важных лекарств, таких как инсулин. Добавляя, переключая или удаляя части генома, можно дать этим клеткам новые возможности.

В одном недавнем исследованииНапример, исследователи перепрограммировали бактерии для синтеза белков, используя строительные блоки аминокислот, не встречающиеся в природе. В другой В ходе исследования команда превратила бактерии в терминаторов, пожирающих пластик, которые перерабатывают пластиковые отходы в полезные материалы.

Хотя это и впечатляет, бактерии состоят из клеток, в отличие от наших: их генетический материал плавает повсюду, что потенциально облегчает их перепрограммирование.

Ассоциация Проект синтетических дрожжей был прорывом. В отличие от бактерий, дрожжи являются эукариотической клеткой. Растения, животные и люди – все попадают в эту категорию. Наша ДНК защищена внутри похожего на орех пузыря, называемого ядром, что усложняет работу синтетических биологов.

А что касается эукариот, то растениями труднее манипулировать, чем дрожжами (одноклеточными организмами), поскольку они содержат несколько типов клеток, которые координируют рост и размножение. Хромосомные изменения могут проявляться по-разному в зависимости от того, как функционирует каждая клетка и, в свою очередь, влияют на здоровье растения.

«Синтез генома в многоклеточных организмах остается неизведанной территорией», — написала команда в своей статье.

Медленно, но уверенно

Вместо того, чтобы создавать совершенно новый геном с нуля, команда поработала с существующим геномом мха.

Этот зеленый пух тщательно изучался в лаборатории. Ранний анализ В геноме мха было обнаружено 35,000 26 потенциальных генов, что поразительно сложно для растения. Все XNUMX его хромосом полностью секвенированы.

По этой причине растение является «широко используемой моделью в эволюционных исследованиях развития и клеточной биологии», — написала команда.

Гены мха легко адаптируются к изменениям окружающей среды, особенно к тем, которые восстанавливают повреждения ДНК от солнечного света. По сравнению с другими растениями, такими как кресс-салат, еще одна модель, которую предпочитают биологи, мох обладает встроенной способностью переносить большие изменения ДНК и быстрее регенерировать. Оба аспекта «существенны» при переписывании генома, объяснили команда.

Еще одна льгота? Из одной клетки мох может вырасти в полноценное растение. Эта способность — мечта синтетических биологов, поскольку изменение генов или хромосом всего в одной клетке потенциально может изменить весь организм.

Как и наши собственные, хромосомы растений выглядят как буква «X» с двумя скрещенными плечами. Для этого исследования команда решила переписать самое короткое плечо хромосомы растения — хромосому 18. Это был гигантский проект. Раньше самая крупная замена составляла всего около 5,000 букв ДНК; новому исследованию потребовалось заменить более 68,000 XNUMX букв.

Замена природных последовательностей ДНК «переработанными большими синтетическими фрагментами представляет собой огромную техническую задачу», пишет команда.

Они выбрали стратегию «разделяй и властвуй». Сначала они разработали фрагменты синтетической ДНК среднего размера, а затем объединили их в один «мегакусок» ДНК плеча хромосомы.

Недавно созданная хромосома претерпела несколько заметных изменений. Он был лишен транспозонов, или «прыгающих генов». Эти блоки ДНК перемещаются по геному, и ученые до сих пор спорят, необходимы ли они для нормальных биологических функций или способствуют развитию болезней. Команда также добавила к хромосоме «метки» ДНК, чтобы пометить ее как синтетическую, и внесла изменения в то, как она регулирует производство определенных белков.

В целом изменения уменьшили размер хромосомы почти на 56 процентов. Вставив дизайнерскую хромосому в клетки мха, команда вырастила их во взрослые растения.

Полусинтетический цветок

Даже с сильно отредактированным геномом синтетический мох оказался на удивление нормальным. Растения легко превратились в лиственные кусты с множеством ветвей и в конечном итоге дали споры. Все репродуктивные структуры были такими же, как в дикой природе, что позволяет предположить, что полусинтетические растения имели нормальный жизненный цикл и потенциально могли размножаться.

Растения также сохранили свою устойчивость к сильно соленой среде — полезная адаптация, также наблюдаемая у их естественных собратьев.

Но у синтетического мха были некоторые неожиданные эпигенетические особенности. Эпигенетика — это наука о том, как клетки включают или выключают гены. Синтетическая часть хромосомы имела другой эпигенетический профиль по сравнению с природным мхом, с большим количеством активированных генов, чем обычно. По мнению команды, это потенциально может быть вредным.

Мох также дал потенциальное представление о «темной материи» ДНК, включая транспозоны. Удаление этих прыгающих генов, по-видимому, не нанесло вреда частично синтетическим растениям, что позволяет предположить, что они могут быть не столь важны для их здоровья.

В более практическом плане результаты могут активизировать усилия в области биотехнологий использование мха для производства широкого спектра терапевтических белков, в том числе тех, которые борются с сердечными заболеваниями, заживляют раны или лечат инсульт. Мох уже используется для синтеза медицинских препаратов. Частично созданный геном может изменить его метаболизм, повысить его устойчивость к инфекциям и увеличить урожайность.

Следующий шаг — полная замена короткого плеча 18-й хромосомы синтетическими последовательностями. Они стремятся создать полный синтетический геном мха в течение 10 лет.

Это амбициозная цель. По сравнению с геномом дрожжей, на переписывание половины которого потребовалось 18 лет и глобальное сотрудничество, геном мха в 40 раз больше. Но благодаря все более эффективным и дешевым технологиям чтения и синтеза ДНК эта цель не является недостижимой.

Подобные методы могут также вдохновить другие проекты по перепроектированию хромосом в организмах, помимо бактерий и дрожжей, от растений до животных.

Изображение Фото: Пирекс / Викисклад

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/