Синтетический мох: первый шаг к созданию нового вида жизни

В конце 2023 года учёные достигли значительного прогресса в области синтетической биологии, заменив половину генетического материала дрожжевых клеток искусственной ДНК. Открытие стало важной вехой в 18-летнем проекте по созданию альтернативных версий каждой хромосомы дрожжей. Несмотря на наличие 7,5 синтетических хромосом, клетки продолжали размножаться и процветать.

Новое исследование переносит нас выше по эволюционной цепочке к созданию искусственно созданных растений. В рамках проекта SynMoss команда из Китая перепроектировала часть одной хромосомы во мхе, что привело к появлению частично синтетического растения, способного нормально расти и производить споры. Это один из первых случаев, когда многоклеточное существо несёт в себе частично искусственную хромосому.

Раскидистый земляной мох (Physcomitrium patens) – первое растение, часть генома которого синтезирована

Изменения в ДНК не только удовлетворяют научное любопытство. Эксперименты помогают расшифровать эволюционную историю, выявить ключевые участки ДНК, отвечающие за стабильность хромосом или вызывающие заболевания, а также лучше понять «тёмную материю» ДНК — загадочные последовательности, не кодирующие белки.

Синтетические организмы облегчают инженерное вмешательство в живые существа. Например, бактерии и дрожжи уже используются для производства пива и жизненно важных лекарств, таких как инсулин. Внесение изменений в геном позволяет придать таким клеткам новые способности.

В отличие от бактерий, дрожжи являются эукариотическими клетками, к которой относятся растения, животные и человек. Наша ДНК защищена в ядре, что усложняет задачу для синтетических биологов.

Растения сложнее для манипуляций, чем дрожжи, из-за множества типов клеток, координирующих рост и размножение. Команда исследователей вместо создания нового генома с нуля модифицировала существующий геном мха. Мох был выбран из-за его способности адаптироваться к изменениям окружающей среды, в том числе восстанавливать ДНК, повреждённую солнечным светом. Мох может вырасти в полноценное растение из одной клетки, что идеально подходит для синтетической биологии.

В исследовании команда решила переписать самое короткое плечо хромосомы мха — хромосому 18, заменив более 68 000 ДНК на синтетические фрагменты, что существенно сократило размер хромосомы почти на 56%. В результате полученные растения с сильно изменённым геномом выросли во взрослые растения, способные к нормальному жизненному циклу и воспроизводству.

Синтетический мох показал необычные эпигенетические особенности и устойчивость к высокой солёности, что является полезной адаптацией. Результаты могут способствовать использованию мха для производства терапевтических белков, борьбы с сердечными заболеваниями, заживлению ран или лечению инсультов. 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. Ученые стремятся создать полный синтетический геном мха в течение 10 лет, что является очень амбициозной целью. По сравнению с геномом дрожжей, на переписывание половины которого потребовалось 18 лет и международное 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 от растений до животных.