Erste synthetische Hefe Chromosom ebnet Weg für Designer Genome

Ein Stück von den genetischen Bauplan für die Hefe wurde erstellt und zusammengesetzt aus dem nichts, ebnet den Weg für "Designer" Organismen, die neue Medikamente, Nahrungsmittel und Biokraftstoffe produzieren könnte sagen die Macher.

Forscher nahm kleine künstliche DNA-Schnipsel und gesellte sich zu ihnen um eine synthetische Version eines Chromosoms, die Struktur zu erstellen, die DNA in den Zellen von Bierhefe enthält. Die Fähigkeit, solche Chromosomen zu erstellen ist ein wichtiger Schritt für den Bereich der synthetischen Biologie, die darauf abzielt, Mikroben um nützliche Produkte zu entwickeln. Die Arbeit bringt auch Wissenschaftler näher zur Schaffung von synthetischen Pflanzen und Tiere.

"Für mich ist einer der aufregendsten Aspekte der Tatsache, dass wir so ausgiebig die Reihenfolge der natürlichen Chromosom bearbeitet und dann die ganze Sache von Grund auf neu synthetisiert", sagte Studienleiter Jef Boeke, synthetische Biologe an NYU Langone Medical Center, der zuvor an der Johns Hopkins University war. [Infografik: wie synthetische Hefe Chromosom erstellt wurde]

Boeke war Leiter der detaillierte Studie (März 27) heute in der Fachzeitschrift Science.

Der Mensch zuerst domestiziert Hefe für Wein und andere Alkohol während der Tage des fruchtbaren Halbmonds (vor etwa 4.000 Jahren) und benutze es seitdem zu Brot, Wein und Bier, Boeke erzählte Leben Wissenschaft. Heute, sagte er, der Pilz wird auch verwendet, um Makevaccines, Medikamente und Biokraftstoffe, und bieten die Möglichkeit, maßgeschneiderte Hefe zu erstellen wäre nützlich auch für die Biotech-Industrie.

Aufbau einer Hefe

Zum Erstellen der künstlichen Chromosoms Boeke und sein Team verwendet Computer-Software, um eine modifizierte Version der Hefe Chromosom III, zu entwerfen, die sie SynIII nannten, und Bierhefe (Saccharomyces Cerevisiae) eingearbeitet. Sie wählten dieses Chromosoms, weil es eines der kleinsten ist der Hefe 16 Chromosomen und Kontrollen wie die Zellen Paaren und genetische Veränderungen erfahren.

Es dauerte die Forscher sieben Jahre zum Zusammenfügen der synthetischen Chromosom von DNA-Stücke. Die Sprache der DNA besteht aus vier "Buchstaben" — A, T, G und C – welche Form Anleihen genannt Basenpaare. SynIII Chromosom enthält 272.871 Basenpaare, etwas weniger als die 316.617 Basenpaare in Chromosomen des nativen Hefe oder Sauerteig basiert die simulierte eine. Studierende an der Johns Hopkins University hat viel von der Arbeit verschmelzen zusammen kurze DNA-Stücke in längeren Abschnitten als Teil eines Projekts der Klasse, und einige dieser ehemaligen Schüler waren Co-Autoren der Studie. [Entschlüsselung des menschlichen Genoms: 6 molekulare Meilensteine]

Boeke Team machte mehr als 500 zwickt, das native Genom, entfernen von wiederholten Abschnitten und sogenannten "Junk-DNA" (nicht bekannt zu kodieren Proteine, die Moleküle, die lebenswichtige innerhalb der Zellen Aufgaben) einschließlich sogenannte Springende Gene, die zufällig in das Chromosom zu bewegen. Die Forscher hat die DNA als native oder synthetische kennzeichnen auch Tags hinzugefügt.

Das fertige Chromosom wurde "erstaunlich normal" Boeke fügte hinzu, dass die Hefe mit dem synthetischen DNA "Verhalten sich fast identisch auf Wilde Hefe-Zellen."

Mit einer Technik bekannt als "kriechen", können die Wissenschaftler die Hefe Gene wie ein Kartenspiel mischen. Die Forscher konnten machen Millionen und Abermillionen von verschiedenen Kartendecks genetische, die Hefe völlig neue Eigenschaften geben könnte.

Beispielsweise könnten Forscher synthetische Stämme der Hefe zu selten Medikamente wie die Malaria-Medikament Artemisinin oder Impfungen wie die Hepatitis B-Impfstoff zu produzieren machen. Synthetische Hefe könnte auch churn effizienter Biokraftstoffe, wie Alkohol, Butanol oder Biodiesel, die Menschheit den Übergang aus einer Erdöl-Wirtschaft ermöglichen könnte, sagte Boeke.

Zusätzlich zu praktischen Anwendungen könnte synthetische Hefe verwendet werden, wie andere Gene Funktion zu studieren und zu interagieren, um zu verstehen, wie Netzwerke von Genen Verhalten, beeinflussen die Forscher hinzugefügt.

Designer Genome

In den letzten Jahren Wissenschaftler schufen synthetischen Chromosomen von Bakterien und Viren, aber dies ist das erste Mal, das jemand ein Chromosom aus einem Eukaryote, ein Organismus aufgebaut hat, deren Zellen Kerne haben.

Craig Venter und sein Team am J. Craig Venter Institute, das erste synthetische Bakterium im Jahr 2010 erstellt hat, lobte die neue Errungenschaft.

"Diese Arbeit ist ein anderes bemerkenswertes Beispiel wie synthetische Biologie verwendet werden kann, Chromosom Sequenzen auf einer beträchtlichen Skala neu schreiben" Venter und seine Kollegen (die nicht an den Untersuchungen beteiligt waren) sagte in einer Erklärung. Die Forschung führt zu einem besseren Verständnis der Regeln des Genoms Struktur und des Verhaltens in der Hefe — "eines der wichtigsten Modellsysteme für das Verständnis biologischer Prozesse," fügte sie hinzu.

Schließlich planen die Forscher eine komplette Hefegenoms mit allen 16 Chromosomen zu synthetisieren. Boeke Team plant, größere Chromosomen zu synthetisieren, und zwar schneller und kostengünstiger.

Trotz seiner Dienstprogramm stellt das Werk Fragen der Ethik künstlichen Genome, vor allem in komplexeren Organismen wie Tiere zu schaffen.

"Es werden immer wieder Herausforderungen für neue Ideen und neue Formen der Dinge, und Bedenken — einige sehr berechtigte — über Sicherheitsfragen," Boeke sagte. Aber Menschen Pflanzen und Tiere für eine lange Zeit konstruiert haben – von der selektiven Zucht bis hin zu transgenen Arten, fügte er hinzu.

Gerade jetzt, die Kosten für die Synthese von Chromosomen ist unerschwinglich hoch, aber das könnte sich ändern wenn die Technologie verbessert, sagte Boeke. Er prognostiziert, dass Designer Mini-Chromosomen zuerst entwickelt werden aufbauend auf Gentherapie, die zur Behandlung von Krankheiten durch defekte Gene durch funktionale zu ersetzen versucht.

Synthese von pflanzlichen und tierischen Genome ist ein langer Weg, Boeke sagte, aber "der Tag wird kommen."

Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel wurde um 4:00 Uhr ET 27 März aktualisiert. Hefe Chromosom 3 ist nicht das kürzeste Chromosom, sondern eine der kürzesten.

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