Ein internationales Team von Wissenschaftlern unter Leitung von Jef Boeke , PhD, Direktor der NYU Langone Medical Center -Institut für System- Genetik führte , hat den ersten Funktions Chromosom in Hefe synthetisiert wird, ein wichtiger Schritt in den aufstrebenden Bereich der synthetischen Biologie , die Gestaltung von Mikroorganismen , um neue Medikamente zu produzieren , Rohstoffe für Lebensmittel und Biokraftstoffe .
In den letzten fünf Jahren haben Wissenschaftler bakteriellen Chromosomen und virale DNA eingebaut , aber das ist der erste Bericht über eine ganze eukaryotischen Chromosom , die fadenförmige Struktur , die Gene im Zellkern aller pflanzlichen und tierischen Zellen trägt , von Grund auf neu gebaut. Forscher sagen, globale Anstrengung ihrer Mannschaft ist zugleich einer der bedeutendsten Fortschritte in Hefegenetik seit 1996, als Wissenschaftler zunächst vorgezeichnet Hefe gesamte DNA-Code , oder genetischen Bauplan .
"Unsere Forschung bewegt sich die Nadel in der Synthetischen Biologie von der Theorie zur Realität ", sagt Dr. Boeke , ein Pionier in der synthetischen Biologie , die kürzlich NYU Langone von der Johns Hopkins University.
" Diese Arbeit stellt den größten Schritt noch in einem internationalen Bemühungen um die vollständige Genom von synthetischen Hefe zu konstruieren ", sagt Dr. Boeke .
"Es ist die am besten unter verändert Chromosom je gebaut wurde. Aber der Meilenstein, der wirklich zählt, wird in einen lebenden Hefezelle integrieren . Wir haben gezeigt, dass Hefe -Zellen, die dieses Kunst Chromosom sind bemerkenswert normal. Sie verhalten sich fast genauso wie wilde Hefezellen , nur sie besitzen jetzt neue Möglichkeiten und kann Dinge, die wilden Hefen nicht tun kann. "
In dieser Woche die Ausgabe von Science online, berichtet das Team , wie , mit Computer-Aided Design , bauten sie ein voll funktionsfähiges Chromosom , die sie synIII anrufen, und es erfolgreich in Bierhefe, wissenschaftlich als Saccharomyces cerevisiae bekannt eingearbeitet .
Die siebenjährige Anstrengung zu bauen synIII zusammengebunden einige 273, 871 Basenpaare der DNA , die kürzer als seine native Hefe Gegenstück , der 316.667 Basenpaaren hat . Dr. Boeke und sein Team mehr als 500 Änderungen an ihren genetischen Basis , das Entfernen Wiederholung der Vorschriften einiger 47.841 DNA-Basenpaare , für nicht notwendig erachtet , um Chromosomen Fortpflanzung und Wachstum . Auch entfernt war, was man im Volksmund genannt Junk- DNA , einschließlich bekannter , nicht für irgendwelche besonderen Proteine kodieren Basenpaare und " springendes Gen " Segmente bekannt, nach dem Zufallsprinzip zu bewegen und führen Mutationen. Andere Arten von Basenpaaren hinzugefügt oder verändert werden , damit die Forscher DNA als synthetischer oder nativer markieren und löschen oder verschieben Gene auf synIII wurden .
"Wenn man das Genom Sie Glücksspiel sind zu ändern. Eine falsche Änderung kann die Zelle zu töten ", sagt Dr. Boeke . "Wir haben mehr als 50.000 Änderungen an der DNA-Code in das Chromosom und unsere Hefe noch leben. Das ist bemerkenswert . Es zeigt, dass unsere synthetischen Chromosom ist winterhart , und die Hefe mit neuen Eigenschaften verleiht . "
Die Herkules-Aufgabe wurde von rund 60 Studenten in der " Bauen Sie ein Genome " Projekt, das von Dr. Boeke an der Johns Hopkins gegründet schrieben unterstützt. Die Studenten zusammen kurze Schnipsel der synthetischen DNA in Strecken von 750 bis 1.000 Basenpaaren oder mehr, dem Bemühen um Srinivasan Chandrasegaran , PhD , Professor an der Johns Hopkins führte gesetzt . Chandrasegaran ist auch der leitende Ermittler von Studien des Teams auf synIII .
Beteiligung der Studierenden startete , was hat sich zu einer internationalen Initiative , genannt Sc2.0 kurz , in denen mehrere akademische Forscher haben sich zusammengeschlossen , um die gesamte Hefegenom , darunter Mitarbeiter an Universitäten in China, Australien, Singapur, Großbritannien zu rekonstruieren , und an anderer Stelle in die US-
Hefe- Chromosom III wurde für die Synthese ausgewählt, weil es zu den kleinsten der 16 Hefe- Chromosomen und steuert, wie Hefezellen paaren und genetische Veränderung unterzogen werden. DNA besteht aus vier Buchstaben bezeichneten Basismakromolekülen in passende Sets oder Basenpaare aneinandergereiht , in einem Muster aus sich wiederholenden Buchstaben. "A" steht für Adenin gepaart mit "T" für Thymin ; und "C" steht für Cystein, mit "G" für Guanin gepaart . Wenn gestapelt , diese Basenpaare bilden eine Helixstruktur der DNA ähnlich einer verdrehten Leiter .
Hefe- Aktien in etwa ein Drittel der 6.000 Gene - Funktionseinheiten der chromosomalen DNA für Proteine kodieren - mit Menschen. Das Team war in der Lage, große Teile der Hefe-DNA , ohne dabei Chromosomen Lebensfähigkeit und Funktion mit einem sogenannten Scrambling- Technik, die die Wissenschaftler Gene wie ein Kartenspiel , in dem jedes Gen ist ein Karten mischen erlaubt manipulieren. " Wir können jede Gruppe von Karten an einem Strang ziehen , mische die Reihenfolge und machen Millionen von verschiedenen Decks , all das in einem Röhrchen von Hefe ", sagt Dr. Boeke . "Jetzt, da wir die genomische Deck mischen , wird es uns erlauben, zu fragen , können wir ein Kartenspiel mit einer besseren Hand für die Herstellung von Hefe Überleben unter jeder aus einer Vielzahl von Bedingungen, wie tolerieren höheren Alkoholgehalt . "
Mit dem Verwürfelungstechnik , sagen Forscher sie in der Lage , schneller zu entwickeln synthetischen Hefestämme , die bei der Herstellung von seltenen Arzneimitteln verwendet werden könnten , wie zum Beispiel für Artemisinin Malaria Oder in der Herstellung bestimmter Impfstoffe , einschließlich der Impfstoff für Hepatitis B , das aus Hefe stammt. Synthetische Hefe , sagen sie, könnte auch zur Entwicklung von effizienteren Biokraftstoffen , wie zB Alkohol , Butanol und Biodiesel stärken werden.
Die Studie wird auch wahrscheinlich Sporn Laboruntersuchungen in spezifische Gen-Funktion und Wechselwirkungen zwischen Genen , ergänzt Dr. Boeke , in dem Bemühen, zu verstehen, wie ganze Netzwerke von Genen angeben individuellen biologischen Verhaltensweisen.
Ihre ersten Erfolge Wiederaufbau einer funktionierenden Chromosom wird wahrscheinlich auf den Bau von anderen Hefe -Chromosomen ( Hefe verfügt über insgesamt 16 Chromosomen , im Vergleich zu den Menschen " 23 Paare ) führen , und bewegen Sie die genetische Forschung einen Schritt näher an den Bau des Organismus gesamte Funktionsweise Genom , sagt Dr. Boeke .
Dr. Boeke sagt die nächsten Schritte der internationalen Teams umfassen die Synthese größerer Hefechromosomen , schneller und billiger . Sein Team , mit weiteren Unterstützung von Build a Genome Studenten, arbeitet bereits an der Montage -Basenpaare in Stücken von mehr als 10.000 Basenpaaren. Sie planen auch Studien von synIII wo sie die Chromosomen klettern , Entfernen , Duplizieren oder Ändern Genreihenfolge .
Detaillierung der Landmark Forschungsprozess
Vor dem Testen des Verwürfelungstechnik zunächst beurteilt Forscher synIII reproduktive Fitness, vergleicht das Wachstum und die Rentabilität in seiner unverschlüsselt ab - aus einer einzigen Zelle zu einer Kolonie von vielen Zellen - mit der von nativem Hefe III . Hefe- Proliferation wurde unter 19 verschiedenen Umweltbedingungen abgeschätzt , einschließlich Änderungen in der Temperatur , Säure und Wasserstoffperoxid , einem DNA-schädigenden Chemikalien . Wachstumsraten gleich blieb für alle bis auf einen Zustand.
Weitere Prüfungen der unverschlüsselten synIII , mit rund 30 verschiedenen Kolonien nach 125 Zellteilungen , zeigte, dass ihre genetische Struktur intakt geblieben , wie es wiedergegeben. Laut Dr. Boeke , einzelne Chromosom Verlust von einem in einer Million Zellteilungen ist normal, da Zellen teilen . Chromosomenverlustratenfür synIII nur geringfügig höher als für native Hefe III .
Um die Verwürfelungstechnik testen , Forscher erfolgreich konvertiert einen nicht passenden Zelle mit synIII zu einer Zelle , die durch den Wegfall der Gen, das sie von der Pass verhindert paaren konnte .