Частково синтетичний мох прокладає шлях для рослин із дизайнерськими геномами

Синтетична біологія вже переписує життя.

Наприкінці 2023 року вчені виявлені дріжджові клітини з половиною їхнього генетичного плану, заміненого штучною ДНК. Це був «переломний» момент у 18-річний проект створити альтернативні версії кожної дріжджової хромосоми. Незважаючи на наявність семи з половиною синтетичних хромосом, клітини розмножувалися і процвітали.

Нове дослідження просуває нас еволюційними сходами до дизайнерських рослин.

Для проекту під назвою SynMoss команда в Китаї переробила частину однієї хромосоми в типі моху. Отримана напівсинтетична рослина нормально росла і виробляла спори, що зробило її однією з перших живих істот з кількома клітинами, які несуть частково штучну хромосому.

Звичайні зміни в хромосомах рослин відносно невеликі порівняно з синтетичними дріжджами. Але це крок до повної переробки геномів організмів вищого рівня.

В інтерв'ю наука, синтетичний біолог доктор Том Елліс з Імперського коледжу Лондона сказав, що це «дзвінок для людей, які думають, що синтетичні геноми призначені лише для мікробів».

Оновлення життя

Зусилля переписати життя не лише для задоволення наукової цікавості.

Робота з ДНК може допомогти нам розшифрувати історію еволюції та точно визначити критичні ділянки ДНК, які зберігають хромосоми стабільними або викликають захворювання. Експерименти також можуть допомогти нам краще зрозуміти «темну матерію» ДНК. Загадкові послідовності, які не кодують білки, розкидані по геному, довго спантеличували вчених: чи є вони корисними чи просто залишками еволюції?

Синтетичні організми також полегшують створення живих істот. Бактерії та дріжджі, наприклад, уже використовуються для варіння пива та викачування рятівних ліків, таких як інсулін. Додаючи, перемикаючи або видаляючи частини геному, можна надати цим клітинам нові можливості.

В одному нещодавньому дослідженніНаприклад, дослідники перепрограмували бактерії для синтезу білків, використовуючи будівельні блоки амінокислот, яких немає в природі. В іншому Дослідження показало, що команда перетворила бактерії на термінаторів, що жують пластик, які переробляють пластикові відходи на корисні матеріали.

Хоча це вражає, бактерії складаються з клітин, на відміну від наших — їхній генетичний матеріал плаває навколо, що робить їх потенційно легшими для перебудови.

Команда Проект «Синтетичні дріжджі». був проривом. На відміну від бактерій, дріжджі є еукаріотичною клітиною. До цієї категорії належать рослини, тварини та люди. Наша ДНК захищена всередині бульбашки, схожої на горішок, яка називається ядром, що робить її більш складною для синтетичних біологів.

А що стосується еукаріотів, рослинами важче керувати, ніж дріжджами — одноклітинними організмами, — оскільки вони містять кілька типів клітин, які координують ріст і розмноження. Хромосомні зміни можуть відбуватися по-різному залежно від функціонування кожної клітини та, у свою чергу, впливати на здоров’я рослини.

«Синтез геному в багатоклітинних організмах залишається незвіданою територією», — написала команда у своїй статті.

Повільний і стійкий

Замість того, щоб створювати цілий новий геном з нуля, команда впорядкувала існуючий геном моху.

Цей зелений пух був ретельно вивчений у лабораторії. Ранній аналіз геному моху виявили, що він містить 35,000 26 потенційних генів, що є надзвичайно складним для рослини. Усі XNUMX його хромосом були повністю секвеновані.

З цієї причини рослина є «широко використовуваною моделлю в еволюційному розвитку та клітинних біологічних дослідженнях», — написала команда.

Гени моху легко адаптуються до змін навколишнього середовища, особливо ті, які відновлюють пошкодження ДНК сонячним світлом. Порівняно з іншими рослинами, такими як крес-салат, ще одна модель, яку віддають перевагу біологи, мох має вбудовану здатність переносити великі зміни ДНК і швидше регенерувати. Команда пояснила, що обидва аспекти є «суттєвими» при переписуванні геному.

Ще одна пільга? Мох може вирости в повну рослину з однієї клітини. Ця здатність є мрією синтетичних біологів, тому що зміна генів або хромосом лише в одній клітині потенційно може змінити весь організм.

Як і наші, рослинні хромосоми виглядають як «X» із двома схрещеними руками. Для цього дослідження команда вирішила переписати найкоротше плече хромосоми в рослині — хромосому 18. Це все ще був величезний проект. Раніше найбільша заміна складала лише близько 5,000 букв ДНК; нове дослідження потребувало заміни понад 68,000 XNUMX літер.

Заміна природних послідовностей ДНК «переробленими великими синтетичними фрагментами представляє величезну технічну проблему», – написала команда.

Вони обрали стратегію «розділяй і володарюй». Спочатку вони розробили фрагменти синтетичної ДНК середнього розміру, а потім об’єднали їх в єдиний «мегафрагмент» ДНК плеча хромосоми.

Нещодавно розроблена хромосома мала кілька помітних змін. Він був позбавлений транспозонів, або «стрибаючих генів». Ці блоки ДНК пересуваються по геному, і вчені все ще сперечаються, чи вони необхідні для нормального біологічного функціонування, чи вони сприяють розвитку захворювань. Команда також додала «мітки» ДНК до хромосоми, щоб позначити її як синтетичну, і змінила те, як вона регулює виробництво певних білків.

Загалом зміни зменшили розмір хромосоми майже на 56 відсотків. Після вставки дизайнерської хромосоми в клітини моху команда виростила їх у дорослі рослини.

Напівсинтетична квітка

Навіть із сильно відредагованим геномом синтетичний мох був напрочуд нормальним. Рослини легко виростали в листяні кущі з кількома гілками і, зрештою, виробляли спори. Усі репродуктивні структури були схожі на ті, що зустрічаються в дикій природі, що свідчить про те, що напівсинтетичні рослини мали нормальний життєвий цикл і могли потенційно розмножуватися.

Рослини також зберегли свою стійкість до сильно солоного середовища — корисна адаптація також спостерігається в їхніх природних аналогів.

Але синтетичний мох мав деякі несподівані епігенетичні примхи. Епігенетика — це наука про те, як клітини вмикають або вимикають гени. Синтетична частина хромосоми мала інший епігенетичний профіль порівняно з природним мохом, з більшою кількістю активованих генів, ніж зазвичай. На думку команди, це потенційно може бути шкідливим.

Мосс також запропонував потенційне розуміння «темної матерії» ДНК, включаючи транспозони. Видалення цих стрибаючих генів, здається, не завдало шкоди частково синтетичним рослинам, припускаючи, що вони можуть бути неважливими для їхнього здоров’я.

Більш практично, результати могли б активізувати зусилля в галузі біотехнології використання моху для виробництва широкого спектру терапевтичних білків, у тому числі тих, які борються із захворюваннями серця, загоюють рани або лікують інсульт. Мох вже використовується для синтезу медичних препаратів. Частково розроблений геном може змінити його метаболізм, підвищити його стійкість до інфекцій і збільшити врожайність.

Наступним кроком є ​​заміна всього короткого плеча хромосоми 18 на синтетичні послідовності. Вони прагнуть створити цілий синтетичний геном моху протягом 10 років.

Це амбітна мета. Порівняно з геномом дріжджів, якому знадобилося 18 років і глобальна співпраця, щоб переписати його половину, геном моху в 40 разів більший. Але завдяки дедалі ефективнішим і дешевшим технологіям зчитування та синтезу ДНК мета не є недосяжною.

Подібні методи можуть також надихнути інші проекти з переробки хромосом в організмах, крім бактерій і дріжджів, від рослин до тварин.

Зображення Фото: Pyrex / Wikimedia Commons

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/