Een revolutie in de biologie: het semisynthetische gistgenoom onthult nieuwe horizonten in genetische manipulatie

Synthetisch DNA lijkt misschien science fiction, maar het wordt snel werkelijkheid. Onderzoekers hebben een gistcel gemaakt die voor meer dan 50% uit een kunstmatig genoom bestaat, waaronder ’s werelds eerste volledig kunstmatige chromosoom.

Wetenschappers hadden eerder kunstmatige bacteriële en virale genomen geproduceerd, maar de volgende stap waren eukaryoten, een cel waarin het hele genoom zich in een membraangebonden kern bevindt. Gist kan hiervoor de natuurlijke keuze zijn geweest, zoals bakkersgist (Wijn gist) heeft een compact genoom van slechts 16 chromosomen en heeft een aangeboren vermogen om DNA aan elkaar te koppelen.

Onderzoekers die betrokken waren bij het Synthetic Yeast Genome (Sc2.0)-project wilden echter iets anders doen dan simpelweg DNA synthetiseren, door gist een ‘designer’-genoom te geven. “We besloten dat het belangrijk was om iets te produceren dat zeer sterk was aangepast door het ontwerp van de natuur”, zei hoofdauteur en Sc2.0-leider Jeff Buckey in de krant. stelling. “Ons overkoepelende doel was om een ​​gist te bouwen die ons nieuwe biologie kon leren.”

Een kunstmatig genoom maken

Het team verwijderde eerst zogenaamd ‘junk’-DNA uit het genoom en verving het door nieuwe DNA-fragmenten om hen te helpen onderscheid te maken tussen synthetische en originele genen, en herschikte vervolgens de volgorde van de genen. Er moest ook nog een belangrijke verwijdering plaatsvinden: tRNA-genen.

Terwijl de eiwitten waarvoor ze coderen een cruciale rol spelen in cellen, maken tRNA-genen het gistgenoom ook onstabiel. In een revolutionaire stap verwijderden de onderzoekers ze en brachten ze over naar een geheel nieuw ‘nieuw chromosoom’ op basis van t-RNA-genen. “Het nieuwe tRNA-chromosoom is ’s werelds eerste volledig kunstmatige chromosoom”, zegt co-auteur Patrick Yezi Cai. “In de natuur bestaat zoiets niet.”

Samen met het nieuwe chromosoom assembleerden de onderzoekers elk chromosoom onafhankelijk, voordat ze 16 gedeeltelijk kunstmatige giststammen creëerden, die elk 15 normale en één kunstmatige chromosomen bevatten.

Leg de stukken bij elkaar

Toen kwam het moeilijkste deel: het verzamelen van alle kunstmatige chromosomen in één enkele gistcel. Dit betrof een combinatie van de klassieke genetische techniek – hybridisatie – en een aantal geheel nieuwe benaderingen. De hybridisatie verliep langzaam en hoewel de resulterende gist meer dan 30% synthetische genomen bevatte, waren onderzoekers op zoek naar meer.

Na gebruik te hebben gemaakt van een nieuwe methode genaamd chromosoomvervanging en een technologie vergelijkbaar met CRISPR/Cas9 om genetische defecten te herstellen, waren ze in staat een enkele gistcel te verkrijgen die meer dan 50% synthetisch DNA bevatte. Door het manipuleren van het genoom had de gist kunnen groeien of er abnormaal uit kunnen zien, maar dankzij zorgvuldige productie overleefde de gist en reproduceerde hij zich op dezelfde manier als wilde gist.

“Het team heeft nu het besturingssysteem van ontluikende gist herschreven, waarmee een nieuw tijdperk van technische biologie is geopend – van het sleutelen aan een handvol genen naar het de novo ontwerpen en bouwen van hele genomen,” zei Kay.

Volgende stappen

Gist is lange tijd een belangrijk onderdeel geweest van de voedsel- en drankproductie – het is de reden dat we fatsoenlijk brood en bier hebben, iedereen zegt: “Bedankt, gist” – en in de wetenschap, voor de productie van chemicaliën en als modelorganisme. Met behulp van synthetisch DNA kunnen we op deze gebieden veel vooruitgang boeken, zoals Ben Blunt, een van de vooraanstaande wetenschappers, in zijn artikel uitlegde. stelling.

“Kunstmatige chromosomen zijn op zichzelf geweldige technische prestaties, maar ze zullen ook een groot aantal nieuwe mogelijkheden openen voor de manier waarop we biologie bestuderen en toepassen. Dit kan variëren van het creëren van nieuwe microbiële stammen voor een groenere bioproductie, tot het helpen ons ziekten te begrijpen en te beheersen .”

De volgende stap zal zijn om alle 16 kunstmatige chromosomen te combineren tot één enkele gistcel. Dit is niet eenvoudig, maar onderzoekers zijn optimistisch. “We zijn nu ver verwijderd van de eindstreep om alle zestien chromosomen in één cel te hebben,” zei Bucky.

“Ik noem dit graag het einde van het begin, niet het begin van het einde, want dan kunnen we echt beginnen met het mengen van dat oppervlak en het produceren van gist die dingen kan doen die we nog nooit eerder hebben gezien.”

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift cel.