Μια ομάδα επιστημόνων με έδρα το Ηνωμένο Βασίλειο, με επικεφαλής ειδικούς από το Πανεπιστήμιο του Nottingham και το Imperial College του Λονδίνου, ολοκλήρωσαν την κατασκευή ενός συνθετικού χρωμοσώματος ως μέρος ενός μεγάλου διεθνούς έργου για την κατασκευή του πρώτου γονιδιώματος συνθετικής μαγιάς στον κόσμο.

Η εργασία, η οποία δημοσιεύεται πρόσφατα στο Cell Genomics, αντιπροσωπεύει την ολοκλήρωση ενός από τα 16 χρωμοσώματα του γονιδιώματος της μαγιάς, από την ομάδα του Ηνωμένου Βασιλείου, το οποίο αποτελεί μέρος του μεγαλύτερου έργου που έγινε ποτέ στη συνθετική βιολογία, που πρόκετια για την διεθνή συνεργασία γονιδιώματος συνθετικής ζύμης (the international synthetic yeast genome collaboration).

Η συνεργασία, γνωστή ως «Sc2.0» ήταν ένα 15ετές έργο στο οποίο συμμετείχαν ομάδες από όλο τον κόσμο (Ηνωμένο Βασίλειο, ΗΠΑ, Κίνα, Σιγκαπούρη, Ηνωμένο Βασίλειο, Γαλλία και Αυστραλία), που συνεργάζονται για να δημιουργήσουν συνθετικές εκδόσεις όλων των χρωμοσωμάτων της μαγιάς. Παράλληλα με αυτό το έγγραφο, άλλες 9 δημοσιεύσεις κυκλοφορούν επίσης σήμερα από άλλες ομάδες που περιγράφουν τα συνθετικά τους χρωμοσώματα.

Η τελική ολοκλήρωση του έργου του γονιδιώματος – του μεγαλύτερου συνθετικού γονιδιώματος που υπήρξε ποτέ – αναμένεται τον επόμενο χρόνο.

Αυτή η προσπάθεια είναι η πρώτη που κατασκευάζει ένα συνθετικό γονιδίωμα ενός ευκαρυωτικού – ενός ζωντανού οργανισμού με πυρήνα, όπως ζώα, φυτά και μύκητες. Η μαγιά ήταν ο οργανισμός της επιλογής για το έργο, καθώς έχει ένα σχετικά συμπαγές γονιδίωμα και έχει την έμφυτη ικανότητα να συρράπτει το DNA μαζί, επιτρέποντας στους ερευνητές να δημιουργήσουν συνθετικά χρωμοσώματα μέσα στα κύτταρα ζύμης.

Οι άνθρωποι έχουν μακρά ιστορία με τη μαγιά, αφού την χρησιμοποιούν για στην αρτοποιία και ζυθοποιία για χιλιάδες χρόνια και, πιο πρόσφατα, τη χρησιμοποιούν για χημική παραγωγή και ως πρότυπο οργανισμού για το πώς λειτουργούν τα δικά μας κύτταρα. Αυτή η σχέση σημαίνει ότι γνωρίζουμε περισσότερα για τη γενετική της μαγιάς από οποιονδήποτε άλλο οργανισμό. Αυτοί οι παράγοντες έκαναν τη μαγιά τον προφανή υποψήφιο.

Η ομάδα με έδρα το Ηνωμένο Βασίλειο, με επικεφαλής τον Δρ Ben Blount από το Πανεπιστήμιο του Nottingham και τον καθηγητή Tom Ellis στο Imperial College του Λονδίνου, ανέφερε τώρα την ολοκλήρωση του χρωμοσώματος τους, του συνθετικού χρωμοσώματος XI. Το έργο για την κατασκευή του χρωμοσώματος κράτησε 10 χρόνια και η ακολουθία DNA που κατασκευάστηκε αποτελείται από περίπου 660.000 ζεύγη βάσεων – τα οποία είναι τα «γράμματα» που συνθέτουν τον κώδικα του DNA.

Το συνθετικό χρωμόσωμα έχει αντικαταστήσει ένα από τα φυσικά χρωμοσώματα ενός κυττάρου ζυμομύκητα και, μετά από μια επίπονη διαδικασία εντοπισμού σφαλμάτων, επιτρέπει τώρα στο κύτταρο να αναπτυχθεί με το ίδιο επίπεδο φυσικής κατάστασης όπως ένα φυσικό κύτταρο. Το συνθετικό γονιδίωμα όχι μόνο θα βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν πώς λειτουργούν τα γονιδιώματα, αλλά θα έχει πολλές εφαρμογές.

Αντί να είναι ένα ευθύ αντίγραφο του φυσικού γονιδιώματος, το συνθετικό γονιδίωμα Sc2.0 έχει σχεδιαστεί με νέα χαρακτηριστικά που δίνουν στα κύτταρα νέες ικανότητες που δεν υπάρχουν στη φύση. Ένα από αυτά τα χαρακτηριστικά επιτρέπει στους ερευνητές να αναγκάσουν τα κύτταρα να ανακατέψουν το περιεχόμενο των γονιδίων τους, δημιουργώντας εκατομμύρια διαφορετικές εκδοχές των κυττάρων με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Στη συνέχεια, μπορούν να επιλεγούν άτομα με βελτιωμένες ιδιότητες για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στην ιατρική, τη βιοενέργεια και τη βιοτεχνολογία. Η διαδικασία είναι ουσιαστικά μια μορφή υπερ-φορτισμένης εξέλιξης.

Η ομάδα έδειξε επίσης ότι το χρωμόσωμα του μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί ως νέο σύστημα για τη μελέτη εξωχρωμοσωμικών κυκλικών DNA (eccDNAs). Πρόκειται για κύκλους DNA που αιωρούνται ελεύθερα που έχουν «ξεβεί» από το γονιδίωμα και αναγνωρίζονται όλο και περισσότερο ως παράγοντες γήρανσης και ως αιτία κακοήθους ανάπτυξης και αντοχής στα χημειοθεραπευτικά φάρμακα σε πολλούς καρκίνους, συμπεριλαμβανομένων των όγκων του εγκεφάλου γλοιοβλαστώματος.

Ο Δρ Ben Blount, ένας από τους κύριους επιστήμονες στο έργο, είναι Επίκουρος Καθηγητής στη Σχολή Επιστημών της Ζωής στο Πανεπιστήμιο του Nottingham. Είπε: «Τα συνθετικά χρωμοσώματα είναι τεράστια τεχνικά επιτεύγματα από μόνα τους, αλλά θα ανοίξουν επίσης ένα τεράστιο φάσμα νέων ικανοτήτων για το πώς μελετάμε και εφαρμόζουμε τη βιολογία. Αυτό μπορεί να κυμαίνεται από τη δημιουργία νέων μικροβιακών στελεχών για πιο πράσινη βιοπαραγωγή, μέχρι να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε και να καταπολεμήσουμε τις ασθένειες.

Το έργο του γονιδιώματος της συνθετικής ζύμης είναι ένα φανταστικό παράδειγμα επιστήμης σε μεγάλη κλίμακα που έχει επιτευχθεί από μια μεγάλη ομάδα ερευνητών από όλο τον κόσμο. Ήταν μια εξαιρετική εμπειρία να συμμετέχω σε μια τέτοια μνημειώδη προσπάθεια, όπου όλοι οι εμπλεκόμενοι αγωνίζονταν προς τον ίδιο κοινό στόχο».

Ο καθηγητής Tom Ellis από το Κέντρο Συνθετικής Βιολογίας και Τμήμα Βιομηχανικής στο Imperial College του Λονδίνου, δήλωσε: «Κατασκευάζοντας ένα επανασχεδιασμένο χρωμόσωμα από τελομερές σε τελομερές και δείχνοντας ότι μπορεί να αντικαταστήσει ένα φυσικό, η εργασία της ομάδας μας θέτει τα θεμέλια για το σχεδιασμό και τη δημιουργία συνθετικών χρωμοσωμάτων και ακόμη και γονιδιωμάτων για πολύπλοκους οργανισμούς όπως τα φυτά και τα ζώα».

Εκτός από τους επικεφαλής του Nottingham και του Imperial College του Λονδίνου, η ομάδα του Ηνωμένου Βασιλείου περιλαμβάνει επίσης επιστήμονες από τα πανεπιστήμια του Εδιμβούργου, του Κέιμπριτζ και του Μάντσεστερ στο Ηνωμένο Βασίλειο, καθώς και από το Πανεπιστήμιο John Hopkins και το Πανεπιστήμιο Langone Health της Νέας Υόρκης στις ΗΠΑ και το Universidad Nacional Autónoma de México, Querétaro στο Μεξικό.

Την πλήρη μελέτη μπορείτε να τη βρείτε εδώ.

(photo: freepik)