Создан синтетический организм с минимальным набором генов
Из 473 генов, без которых не может обойтись новый «одноклеточный Франкенштейн», функции почти полутора сотен остаются неизвестными.
Количество генов у всех живых существ разное. С одной стороны, тут очень много зависит от сложности организации: многоклеточному червю нематоде генетической информации требуется больше, чем одноклеточной бактерии, а млекопитающему генов нужно больше, чем червю.
С другой стороны, у любого организма геном устроен так, чтобы одни гены подстраховывали другие – если один из них выйдет из строя, это не обязательно приведёт к гибели (не так давно мы писали, как некоторые гены, которые считались для человека абсолютно необходимыми, таковыми не оказались – люди без них вполне могут прожить.
Наконец, некоторые гены нужны только в нестандартных, стрессовых ситуациях, а если обстановка вокруг более-менее нормальная и комфортная, то они как бы и не требуются. Например, та же бактерия может попасть в исключительно благоприятную питательную среду, с идеальными показателями температуры, содержания солей, питательных веществ и т. д., а может, наоборот, перейти на голодный паёк, да ещё испытать на себе повышение солёности или кислотности. И набор необходимых для выживания генов в обоих случаях будет разный.
Осознав, что одни гены могут быть нужнее других, биологи пришли к концепции минимального генома – то есть минимального набора генов, без которых организм не выживет. В 1996 году Аркадий Мушегян и Евгений Кунин оценили минимальный необходимый геном для бактериальной клетки в 256 генов; в 2004 году другими исследователями был предложен набор в 204 гена.
Минимальный геном строили на сравнительном анализе нескольких бактериальных геномов; если же говорить о конкретном организме, то здесь неизбежно приходится вспомнить о бактерии Mycoplasma genitalium, возбудителе заболеваний мочеполовой системы человека – у неё насчитывается всего 525 генов, из которых 470 кодируют белки; жизненно важных из них 375. Геном микоплазмы некоторое время считался самым маленьким, пока не были прочитаны ДНК ещё нескольких микроорганизмов, которые могут существовать только в виде симбионтов внутри клеток хозяина. Пока что чемпионом здесь является бактерия Carsonella, обитающая в клетках листоблошек – её геном содержит всего 182 гена с белковой информацией.
Некоторое время рассуждения о минимальном геноме ограничивались теоретическим анализом последовательностей ДНК, пока в 2010 году в Институте Крэйга Вентера не появился синтетический организм, собранный из двух бактерий микоплазм: из клетки Mycoplasma capricolum вытащили её собственную ДНК (напомним, что у бактерий все гены заключены в одну-единственную кольцевую хромосому), а взамен пересадили искусственно синтезированный геном, созданный на основе генов Mycoplasma mycoides. (От экспериментов с самой M. genitalium решили отказаться, так как она очень медленно растёт – в отличие от микоплазм M. mycoides и M. capricolum, которые размножаются намного быстрее.) Получившийся организм назвали JCVI-syn1.0, однако, хотя его ДНК и была синтезирована в лабораторных условиях, устройство генома JCVI-syn1.0 копировало устройство генома M. mycoides, и от минимального он был довольно далёк.
Исследователи попытались избавиться от генов, отвечающих за синтез питательных веществ (их можно было добавить в среду, чтобы клетка жила на всём готовом), а также выкинуть ещё кое-какие некодирующие области. Но из такого подхода ничего не вышло, клетки погибали. Тогда исследователи опробовали другой подход: всю ДНК разбили на несколько сегментов и начали их комбинировать друг с другом, чтобы понять, какие гены важны, а какие – не очень. Эти эксперименты привели в некотором роде к ожидаемому выводу, что даже простой бактерии для нормальной жизни нужны не только гены, которые кодируют белки, но и регуляторные последовательности ДНК, которые сами ничего не кодируют, но влияют на активность других генов.
Дальнейшие исследования позволили разделить все гены M. mycoides на три группы: существенные (то есть жизненно важные), несущественные, и «как бы существенные» – в последней группе оказались, которые, строго говоря, для выживания клетки не нужны, но без которых размножение бактерий сильно замедляется. В результате удалось собрать ДНК из 531 тысячи оснований, кодирующую 473 гена (438 – белок-кодирующие последовательности, и ещё 35 – кодирующие служебные РНК, например, РНК рибосом, без которых никакая клетка не выживет) – по сравнению с природным геномом Mycoplasma genitalium, в котором всего насчитывается 525 генов, синтезированный геном оказался «более минимальным».
Очередную синтетическую бактерию назвали JCVI-syn3.0, она оказалась вполне жизнеспособной: её колония удваивалась на три часа, что, конечно, медленнее по сравнению с микоплазмой M. mycoides, у которой на это уходит 1 час, но намного быстрее, чем M. genitalium, которая удваивается за 18 часов. Подробно новый «бактериальный Франкенштейн» описывается в статье в Science.
Конечно, JCVI-syn3.0 пришлось снабдить почти всеми питательными веществами – чтобы минимальный геном работал, клетка должна была находиться в идеальных условиях. Функции жизненно важных генов легко угадать, они занимаются синтезом ДНК, белков и мембран. Однако среди них было 149 генов, насчёт которых до сих пор непонятно, зачем они нужны. Причём многие из них оказались довольно консервативны в ходе эволюции, то есть некоторые из этих 149 в почти неизменном виде можно обнаружить даже у высших эукариот. Удивительно, конечно, что у нас до сих пор есть почти полторы сотни генов, которые абсолютно необходимы всем живым существам и о которых мы до сих пор ничего знаем, кроме их последовательности. Но, с другой стороны, как раз такие «синтетические» работы должны помочь нам узнать о таких генах как можно больше.
Говоря о синтетическом организме JCVI-syn3.0, необходимо помнить, что его получили вовсе не из неорганического «первичного супа», в котором когда-то на Земле зародилась жизнь. Здесь искусственно синтезированную ДНК для JCVI-syn3.0 поместили в готовую клетку, лишённую своего генома. Сам Крэйг Вентер полагает, что подобные эксперименты в конце концов откроют нам тайну жизни. Вентер известен своими подвигами на ниве расшифровки генома человека: сотрудники его компании Celera Genomics стали одними из первых, кто сумел полностью прочитать человеческую ДНК. Впоследствии он вплотную занялся проблемой синтетической жизни, и уже много лет подряд Вентер и его коллеги регулярно занимают первые полосы научных и научно-популярных изданий с сообщениями о новых успехах в геномике и создании искусственных организмов.
Неизвестно, узнаем ли мы, как устроена жизнь, но вот фундаментальные принципы организации генома (и не только бактериального) с помощью таких (полу-)синтетических клеток вполне можно исследовать. Возможно, в перспективе мы даже сможем создавать бактерий «под заказ», которые будут выполнять ту или иную биохимическую работу. Однако, как справедливо замечает журнал Nature, среди прочих описывающий новую синтетическую бактерию, сейчас у биологов появился мощный молекулярный инструмент CRISPR/Cas, созданный на основе бактериального противовирусного иммунитета – с его помощью можно легко редактировать как ДНК, так и РНК, наблюдая, как меняется функция гена и как это влияет на работу генома в целом. CRISPR/Cas со стороны выглядит не столь эффектно, как синтетическая бактерия, но, возможно, в смысле постижения молекулярно-генетических аспектов жизни он окажется более эффективным.
По материалам The Scientist и NatureNews.
26 марта 2016
Статьи по теме:
