De eerste semi-industriële gist werd gemaakt – forschung.de

Chromosoom voor chromosoom hebben de onderzoekers het genoom van Saccharomyces cerevisiae kunstmatig nagebouwd en een giststam gecreëerd waarvan het genoom voor meer dan de helft synthetisch is. De semi-synthetische soort overleeft en groeit net zo goed als natuurlijke gist. Aan de ene kant helpt het onderzoek de basisprincipes van het genoom beter te begrijpen. Aan de andere kant kan het helpen betere soorten voor industrieel gebruik te creëren. Het doel is een volledig kunstmatig object waarvan de eigenschappen indien nodig kunnen worden gewijzigd.

Mensen gebruiken Saccharomyces cerevisiae-gist al duizenden jaren om brood te bakken, bier te brouwen of het sap tot wijn te fermenteren. In de moderne biotechnologie wordt gist nu ook gebruikt om brandstoffen, medicijnen of parfums te produceren, en is het een populair modelorganisme in medisch onderzoek. Hun genoom is dus goed bekend en is meerdere keren, althans gedeeltelijk, aangepast.

Variaties in het natuurlijke model

Een team onder leiding van Yu Zhao van de New York University heeft nu voor het eerst een giststam gemaakt, waarvan meer dan de helft een synthetisch genoom heeft. Dit onderzoek maakt deel uit van een grootschalig internationaal onderzoeksproject, het Synthetic Yeast Genome Project, waarin een volledig synthetische gist wordt ontwikkeld. Hoewel de genomen van sommige virussen en bacteriën al volledig zijn vervaardigd, zal gist het eerste eukaryotische organisme zijn dat een ontworpen genoom heeft.

Om iets echt nieuws te creëren, hebben onderzoekers niet alleen natuurlijke chromosomen nagebouwd, maar ook gediversifieerd. Ze hebben verschillende niet-coderende regio’s weggelaten en in plaats daarvan nieuwe stukjes DNA toegevoegd. De onderzoekers verwijderden alle regio’s die coderen voor zogenaamde transfer-RNA’s, die essentieel zijn voor het samenstellen van nieuwe eiwitten, van de originele chromosomen en brachten ze over naar een geheel nieuw chromosoom, dat ze een tRNA-neochromosoom noemden. “Het nieuwe tRNA-chromosoom is het eerste volledig kunstmatige chromosoom ter wereld”, zegt medeauteur Yezi Cai van de Universiteit van Manchester. “In de natuur bestaat zoiets niet.”

Kunstmatige chromosomen zijn overgestoken

Op weg naar een volledig kunstmatige gist verzamelde het team synthetische varianten van alle 16 gistchromosomen in het laboratorium en introduceerde ze elk afzonderlijk in een giststam waarin de resterende 15 chromosomen van natuurlijke oorsprong waren. Met vallen en opstaan ​​ontdekten ze de variabelen die elk een organisme mogelijk maakten. “Onze motivatie is om de basisprincipes van genomica te begrijpen door synthetische genomen te bouwen”, legt Kay uit.

De onderzoekers kruisten de werkende stammen, die elk één kunstmatig chromosoom bevatten, en selecteerden de nakomelingen die meerdere kunstmatige chromosomen bevatten. Ze bleven ze samen hybridiseren totdat ze zes volledige kunstmatige chromosomen en één chromosoomarm combineerden tot één enkele stam. Vervolgens plaatsten ze de grotere kunstmatige chromosomen met behulp van een nieuw ontwikkelde methode die chromosoomvervanging wordt genoemd. De genetische samenstelling van de op deze manier gecreëerde soort is voor meer dan 50 procent synthetisch.

Om van fouten te leren

Deze stam vertoonde echter groeiachterstanden vergeleken met wildtype gist. De onderzoekers identificeerden veel kleine genetische fouten in de kunstmatige DNA-coupes die niet merkbaar zouden zijn geweest zolang er maar één chromosoom was vervangen. “We wisten in principe dat zoiets zou kunnen gebeuren, dat we een groot aantal kleine effecten zouden kunnen hebben die, als je ze bij elkaar optelt, zich kunnen opstapelen en vergroten”, zegt Jeff Buckey, de collega van Zhao. Met behulp van genetische manipulatiemethoden konden onderzoekers een aantal van deze fouten vinden en corrigeren, waardoor de overleving en reproductie van semi-synthetische gist werd vergroot. “We hebben nu laten zien dat we de helft van het genoom goed kunnen integreren”, zegt Bucky. “Door het oplossen van problemen leren we nieuwe dingen over de regels van het leven.”

In de volgende stap zijn de wetenschappers ook van plan de resterende kunstmatige chromosomen te integreren. “Dit is een opwindende doorbraak in de technische biologie”, zegt Kay. “Hoewel we al een tijdje genen kunnen bewerken, zijn we er nooit in geslaagd het eukaryotische genoom helemaal opnieuw te schrijven. Dit werk is van fundamenteel belang voor ons begrip van de bouwstenen van het leven en heeft het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de synthetische biologie.”

Bronnen: Yu Zhao (New York University) et al., Cell, doi: 10.1016/j.cell.2023.09.025; Daniel Schindler (Universiteit van Manchester) et al., Cell, doi: 10.1016/j.cell.2023.10.015

© forschung.de – Elena Bernard