Биологам удалось создать бактерию с синтетическим геномом, убрав из нее все гены, без которых можно обойтись. Микроорганизм способен существовать только в идеальных для него лабораторных условиях, поэтому вряд ли может представлять опасность для тех, кто подозрительно относится к подобным экспериментам. «Лента.ру» ознакомилась с революционным исследованием и выяснила, чем так важны его результаты.
Клетки являются фундаментальной единицей живого организма. Их существование, в свою очередь, зависит от генома — совокупности всего наследственного материала, куда входят гены и не кодирующая белки ДНК. В геноме содержится зашифрованная информация, которая определяет химический состав клетки, обмен веществ, ее структуру, размножение и многое другое. Каждый геном является своего рода инструкцией, по которой осуществляются процессы жизнедеятельности, как общие для всех живых организмов на Земле, так и специфичные для конкретных видов.
Геном активно взаимодействует с цитоплазмой клетки. С одной стороны, он определяет функции отдельных ее компонентов, а с другой — некоторые из этих компонентов сами регулируют активность генов, ускоряя или подавляя производство жизненно важных белков. Геном можно рассматривать как часть программного обеспечения клетки. Секвенирование — метод, с помощью которого можно определить химический состав ДНК, позволяет расшифровать инструкции, зашифрованные в геноме, и определить, какие функции выполняет конкретный участок ДНК.
Ученые много лет изучали возможность упростить геном бактериальной клетки так, чтобы оставались только гены и регуляторная ДНК, обеспечивающие базовые функции — рост и размножение — в идеальных условиях лаборатории. В природе организмы с таким геномом выжить не смогли бы, поскольку они должны были бы адаптироваться к постоянно меняющейся окружающей среде, а гены, обеспечивающие такую пластичность, у них удалены.
Типичные бактерии, такие как Bacillus subtilis и Escherichia coli, способны хорошо адаптироваться, поскольку несут в себе гены, которые задействуются только при определенных условиях. Размер кодирующего генома этих бактерий состоит из четырех-пяти тысяч генов. Другие бактерии предпочитают стабильную среду, которая не меняется тысячелетиями, поэтому эволюция «выключает» лишнюю ДНК навсегда.
В 1984 году американский биофизик Гарольд Моровитц, занимающийся вопросами происхождения жизни, предположил, что микоплазмы могут быть удобным объектом для исследования базовых основ жизни. Микоплазмы — класс бактерий, которые представляют собой простейшие из известных клеточных организмов. Секвенирование генома Mycoplasma genitalium было завершено в 1995 году, однако определение функций конкретных его участков оставалось сложной задачей.
Микоплазмы обычно развиваются в среде, богатой питательными веществами, например, в клетках животных и человека, на которых паразитируют. Эта среда относительно стабильна, поэтому они имеют самый маленький известный геном среди самостоятельно воспроизводящихся организмов. В 1996 году биоинформатики Евгений Кунин и Аркадий Мушегян сравнили геномы двух бактерий — гемофильной палочки Haemophilus influenzae (содержит 1815 генов) и M. genitalium (525 генов — самый маленький известный микоплазматический геном). Они смогли определить 240 генов, которые встречались у обеих бактерий и охватывали большую часть основных клеточных функций. Ученые добавили к ним дополнительно 16 генов, необходимых для осуществления жизненно важных метаболических процессов, и получили то, что назвали «наименьшим возможным набором генов».
В 1999 году команде биологов под руководством Крейга Вентера с помощью метода, который называется глобальным транспозонным мутагенезом, уточнили количество генов из наименьшего набора. Ученые по очереди выключали гены M. genitalium, встраивая в них транспозоны — «прыгающие» фрагменты ДНК, которые способны передвигаться и размножаться в пределах генома. Если бактерия выживала при выключенном гене, то он считался несущественным для ее жизнедеятельности. Оказалось, что наименьший возможный набор генов должен включать в себя минимум 375 генов. Минимум, потому что у этого метода есть недостаток: если у гена имеется «дублер», то при выключении их по очереди клетка, естественно, выживает, но если сразу оба — она погибнет.
Примерно в то же самое время ученые начали разрабатывать методы создания искусственного генома, чтобы воссоздать минимальный набор генов. Недостаточно быстро размножающуюся M. genitalium они заменили более подходящей для лабораторных опытов M. mycoides. Размер генома последней составляет около 900 генов или, иными словами, более миллиона спаренных оснований — «строительных кирпичиков» двойной цепочки ДНК. В 2010 году биологи получили штамм JCVI-syn1.0 — микоплазму с химически синтезированным геномом. Для этого ученые встраивали отдельные фрагменты ДНК M. mycoides в клетку бактерии-реципиента, собственный геном которой был предварительно разрушен. JCVI-syn1.0 являлась практически точной копией M. mycoides , если не считать наличие «технической» ДНК (генетические маркеры), которая использовалась в качестве «лесов» для строительства генома.
Сравнение особенностей роста колоний JCVI-syn1.0 и JCVI-syn3.0
Изображение: J. Craig Venter et al. Craig Venter Institute
В новой работе команда биологов использовала данные, ранее добытые ими с помощью транспозонного метода, а также сведения из других статей, в которых оценивалась жизнеспособность бактерий при постепенном удалении из них участков ДНК. Кроме того, чтобы исключить «дублеров», исследователи определяли функции генов, сравнивая их с похожими генами, назначение которых было уже известно. Таким образом, все гены M. mycoides были классифицированы как необходимые или несущественные. На основе всей доступной информации и с помощью постоянных экспериментальных проверок ученые смогли определить минимальный геном.
Все исследование можно представить в виде цикла. На каждом этапе биологи синтезировали в клетках дрожжей различные неполные геномы JCVI-syn1.0, убирая из них гены, которые гипотетически являлись несущественными. Затем геномы трансплантировали в реципиентные клетки M. capricolum, после чего определялась жизнеспособность полученных микроорганизмов. После этого ученые переоценивали важность конкретных генов, и цикл начинался заново. В конце концов, исследователи получили новый штамм бактерий — JCVI-syn3.0, чей геном был сокращен вдвое по сравнению с предыдущей версией и составил 531 тысячу спаренных оснований. Он кодирует 438 белков и 35 видов регуляторной РНК — всего 437 генов.
Ученые выяснили, что 49 процентов оставшихся генов сохранили свои функции со времен последнего общего предка. Роль других 149 генов оказалась на данный момент неизвестной, хотя их потенциальные гомологи (гены, имеющее общее происхождение) были найдены в других организмах и кодируют белки, чьи функции пока еще не выяснены. С другой стороны — сохранились почти все из генов, работа которых связана с транскрипцией и регуляцией ДНК, метаболизмом РНК, сворачиванием белков, синтезом рибосом, а также удвоением ДНК, ее восстановлением и другими генетическими механизмами, которые могли существовать с самых ранних времен развития жизни.
Двойные цепочки ДНК образованы спаренными основаниями, в последовательности которых закодирована информация о белках или регуляторных РНК. Изображение: J. Craig Venter et al.
Всего биологи удалили 428 генов. Функции большинства из них также неизвестны, однако 73 гена представляли собой мобильные генетические элементы — перемещающиеся внутри генома последовательности ДНК — и участки генома, которые кодируют ферменты, осуществляющие гидролиз нуклеиновых кислот. Также были удалены 72 гена, отвечающие за синтез липопротеинов — белков, задействованных в метаболизме липидов. Поскольку питательная среда в условиях лаборатории обеспечивала клетки всеми необходимыми веществами, отпала необходимость в генах, участвующих в транспорте, катаболизме, разложении белков и других метаболических процессах, которые стали излишними.
Важным результатом исследования является не то, что удалось получить «универсальное генетическое ядро жизни», — это принципиально невозможно сделать, так как в разных организмах гены из наименьшего возможного набора могут быть не только разными, но и иметь различное происхождение. Главное значение работы в том, что была создана универсальная платформа для изучения основных функций жизни и исследования структуры генома. Кроме того, сам метод, разработанный учеными для синтеза JCVI-syn3.0, позволяет создавать новые геномные конструкции, а также проектировать модельные клетки, функция каждого гена которых хорошо известна. По словам исследователей, это даст возможность создавать метаболические пути для синтеза лекарственных препаратов и промышленных химикатов.