Трансплантация генома
В июне 2007 года ученые из Исследовательского института J. Craig Venter Research Institute (JCVI ) в США вывели синтетическую биологию на новый уровень, когда они успешно пересадили весь геном одного вида бактерий ( Mycoplasma mycoides) в цитоплазму другого ( Mycoplasma capricolum), выполнив первую полную трансплантацию генома. Новые бактерии были полностью лишены своих нативных генов и после деления клеток стали фенотипически эквивалентны (сходны по своим наблюдаемым характеристикам) M. mycoides .
Синтетические геномы
В январе 2008 года ученые JCVI Daniel G. Gibson и Hamilton O. Smith успешно собрали с нуля модифицированную версию генома бактерии M. genitalium. Это заметно отличалось от индивидуальных модификаций генов при исследовании рекомбинантных ДНК, поскольку многие гены были связаны вместе для создания нового генома. Синтетический геном лишь немного отличался от естественного: незначительные различия не позволяли геному стать патогенным (болезнетворным), а также позволяли идентифицировать его как искусственный.
Ученые окрестили эту новую версию M. genitalium JCVI-1.0. Имея 582 970 пар оснований, он был в 10 раз длиннее, чем любой ранее собранный геном.
M. genitalium JCVI-1.0 был создан из 101 специально изготовленной, перекрывающейся "кассеты", каждая из которых была длиной 5000–7000 нуклеотидов. M. genitaliumбыл выбран для эксперимента потому, что это самая простая природная бактерия, которую можно выращивать in vitro (в лабораторных условиях); ее геном состоит всего из 482 генов (плюс 43 РНК-кодирующих гена).
В мае 2010 года исследователи JCVI объявили, что они создали синтетический геном на 1,08 миллиона оснований и вставили его в цитоплазму бактерии, сделав первую функционирующую форму жизни с синтетическим геномом. Синтетическая клетка была названа M. mycoides JCVI-syn1. 0. Его геном был почти идентичен естественному геному M. mycoides, за исключением того, что он имел определенные генетические “водяные знаки”, указывающие на его синтетический состав.
Концепция минимальной ячейки
Ученые из JCVI предположили, что еще около 100 генов могут быть удалены из генома M. genitalium JCVI-1.0 без ущерба для его функции (хотя они не были уверены, какие именно 100 генов). Считается, что минимальный размер генома, необходимый для поддержания жизни, составляет примерно 381 ген. Исследователи планировали создать этот сокращенный геном, который они затем вставят в клетку, тем самым создавая искусственную форму жизни.
Они планировали назвать эту форму жизни M. laboratorium и подали на нее патентную заявку. M. laboratorium будет использоваться в качестве шасси, на котором другие гены могут быть добавлены для создания индивидуальных бактерий для различных целей, в том числе в качестве новых форм топлива или в качестве очистителей окружающей среды, способных удалять загрязнители из почвы, воздуха или воды.
В 2016 году команда JCVI создала самую маленькую функционирующую синтетическую клетку до этого времени, M. mycoides JCVI-syn3. 0, которая содержала всего 531,560 пар оснований и 473 гена. JCVI-syn3. 0, геномно минимизированная версия JCVI-syn1 .0, была получена с использованием комбинации дизайна всего генома (выбор ДНК и организация ее таким образом, чтобы генерировать функционирующий геном) и химического синтеза. Затем синтезированный геном пересаживали в цитоплазму для проверки его жизнеспособности. JCVI-syn3. 0 успешно реплицировали и производили колонии, которые были похожи по форме на те из JCVI-syn1.0.
Биобрики и ксенонуклеиновые кислоты
Другим выдающимся ученым в области синтетической биологии был американский биоинженер Дрю Энди, который основал некоммерческий фонд BioBricks Foundation. Энди разрабатывал каталог информации, необходимой для синтеза основных биологических частей, или “кирпичиков”, из ДНК и других молекул.
Другие ученые и инженеры могли использовать эту информацию для создания любых биологических продуктов, которые они хотели, зная, что некоторые “кирпичи” будут последовательно выполнять ту же функцию в более крупных органических конструкциях.
Энди надеялся, что Биобрики сделают для биоинженерии то же самое, что резисторы и транзисторы делали для электротехники. Еще другие ученые пытались создать синтетическую ДНК с расширенным генетическим кодом, который включал новые пары оснований в дополнение к естественным парам A-T ( аденин - тимин ) и C-G ( цитозин - гуанин ).
Вариация на тему синтетической ДНК влечет за собой синтез нуклеиновых кислот, которые несут естественные базовые пары ДНК, но обладают костяком, образованным сахарами, отличными от дезоксирибозы.
Эти молекулы, известные как ксено-нуклеиновые кислоты (XNAs), не могут быть реплицированы ферментом ДНК-полимеразой, который катализирует синтез ДНК. Вместо этого, их репликация требует специально разработанных ферментов, первые из которых были способны точно транскрибировать ДНК в нужный продукт XNA были сообщены в 2012 году.
