Синтетична геномика: за півкроку від «елемента життя»

Технологія створення бактерії з вбудованим штучним геномом.

Міжнародна команда дослідників, які створили синтетичну життя.

Керівники роботи Крейг Вентер (зліва) і Гамільтон Сміт.

Електронна мікрофотографія синтетичної бактерії Mycoplasma mycoides.

<

>

Те, що я не можу створити,
Я не в силах зрозуміти.
Річард Фейнман, лауреат Нобелівської премії з фізики

Зазвичай хіміки, які вивчають природні сполуки, в своїй діяльності керуються наступною логікою: спочатку знаходять нову речовину в природі, потім визначають його функції і структуру і в кінці кінців намагаються синтезувати це з'єднання в лабораторії, щоб порівняти властивості природного з'єднання і його синтетичного аналога. Тільки так можна довести, що речовина даної хімічної структури володіє певними властивостями. Але в генетичні маніпуляції такий підхід довгий час не працював - структура ДНК була вже відома, але зворотне завдання не вдавалося вирішити нікому.

Бізнес, який творить науку

Ветеран в'єтнамської кампанії американець Крейг Вентер займався біохімією, отримав вчений ступінь, але надовго в лабораторних стінах не затримався. Молодого дослідника привертав бізнес. У 1998 році він взяв участь у створенні біотехнологічної компанії Celera Genomics. На момент створення компанії вже щосили йшла робота по розшифровці генома живих істот, у тому числі і людини. Але прогрес був невеликий через недосконалість технології секвенування (визначення нуклеотидної послідовності) ДНК. У складі команди дослідників Вентер взяв участь в розробці нового методу секвенування - методу «дробовика» (shotgun). За допомогою цього методу вже через два роки геном людини був розшифрований повністю. Вентер хотів продавати результати дослідження компанії, але наукове співтовариство висловило невдоволення, і йому довелося поступитися. Він виклав всі результати розшифровки генома в інтернеті і пішов з Celera Genomics, створивши новий інститут імені самого себе.

Одним з піонерських починань інституту Крейга Вентера в 2000-і роки стали так звані метагеномного проекти. Експедиції, організовані інститутом, проводили популяційний аналіз генома різних організмів, що живуть в Саргасовім та інших морях. Використовуючи геномні технології, співробітникам вдалося описати генетичну різноманітність підводного царства, відкривши при цьому тисячі нових генів і нових видів живих істот.

Тепер, коли хімічна структура багатьох складних геномів була відома, за логікою, треба було зайнятися синтезом штучного генома, що і зробив Вентер. Інший ідеєю Вентера стало створення життєздатного організму з мінімальним набором генів. Таку генетичну одиницю цілком можна було б назвати «елементом життя» - «мінімальної» кліткою. За аналогією в хімії такий же найпростішої одиницею є атом водню.

«Мінімальною» клітини поки не існує, а організм з синтетичним геномом вже живе і розмножується в лабораторії Інституту Крейга Вентера. Це звичайна бактерія, яка відрізняється від інших тільки тим, що її ДНК синтезована «в пробірці».

Від початку робіт до історичної публікації в травні 2010 року в журналі «Science» під назвою «Створення бактеріальної клітини, яка контролюється хімічно синтезованим геномом» пройшло довгих 15 років, і обійшовся проект в 40 мільйонів доларів. Цьому великому науковому досягненню передував інший успіх - в 2003 році команді Вентера вдалося створити вірус зі штучним геномом.

Міжнародною командою успішних дослідників двох відділень інституту - в Роквілле (штат Меріленд) і в Ла Йолла (штат Каліфорнія) - крім Вентера керують два інших видатних вчених. Один з них - нобелівський лауреат 1978 року Гамільтон Сміт. Нобелівську премію він отримав за відкриття, яке поклало початок епосі хімічних маніпуляцій з геномом: він виділив рестріктази - ферменти, що розрізають молекулу ДНК на окремі фрагменти. Інший керівник робіт - видатний мікробіолог, представник відомої наукової династії Клайд Хатчінсон III.

Синтетична ДНК, що складається з 1,08 мільйона нуклеотидів, стала найдовшою молекулою, синтезованої коли-небудь в лабораторних умовах. Перша в історії синтетична клітина містить повністю штучну хромосому, синтезовану з хімічних компонентів по комп'ютерній програмі. Це вже не технології генетичної інженерії, коли вченим вдавалося змінити або доповнити геном живих істот кількома генами або набором генів, це - повна пересадка всього генома.

трансплантація геномів

Експеримент зі створення штучного життя полягав в наступному: вчені синтезували геном однієї бактерії і впровадили його в клітку бактерії іншого виду. Отриманий організм з оболонкою бактерії-реципієнта Mycoplasma capricolum виявився ідентичним бактерії-донору - Mycoplasma mycoides. Так вперше достовірно було показано, що ДНК дійсно містить повну інформацію про роботу всієї живої клітини.

Отримані гібриди виглядали, росли і розмножувалися так само, як Mycoplasma mycoides. Ще один важливий ознака того, що це була саме Mycoplasma mycoides, - сконструйована бактерія синтезувала білки, властиві саме цьому виду. Правда, від природного синтетична бактерія все-таки відрізняється. Жити і розмножуватися вона може поки тільки в лабораторії, в спеціальній живильному середовищі, в природних умовах бактерія нежиттєздатна.

Мікоплазми - досить велика (близько 180 видів) група паразитичних бактерій, що викликають всілякі хвороби у рослин, тварин і людини. Вони мають ряд властивостей, які роблять їх зручним об'єктом для подібних досліджень. На відміну від переважної більшості інших бактерій з маленькими геномами, мікоплазми можуть жити поза клітинами господаря, тому їх можна вирощувати в лабораторії. Правда, мікоплазми постійно потребують інтенсивного харчуванні, оскільки у них відсутні гени, необхідні для синтезу багатьох життєво важливих речовин. Нарешті, клітини мікоплазми не мають ядра, їх генетичний матеріал розподілений в цитоплазмі. Вони оточені лише тонкою і еластичною мембраною, через яку досить легко впровадити компоненти чужорідного генома.

Бактерія-паразит Mycoplasma mycoides була обрана в якості донора насамперед через те, що у неї дуже маленький геном - близько мільйона нуклеотидів (для порівняння, в геномі людини їх 3 мільярди). Але і такий «короткий» геном отримати непросто, тому ДНК синтезували частинами, які потім з'єднали разом. Молекулярний конструктор збирали в клітинах кишкової палички - E.coli, а потім в клітинах дріжджів. І тільки після цього синтетичну ДНК ввели в клітку Mycoplasma capricolum.

Часто запитують, чому не можна було помістити штучний геном всередину власної клітини? Тому що всередині цієї клітини залишалися характерні для неї білки, а значить, результати експерименту можна було б пояснити їх наявністю. Тобто з'явилася б невизначеність в інтерпретації результату.

Навіщо потрібні синтетичні бактерії?

Реакція на дослідження в науковому співтоваристві неоднозначна. Багато хто вважає, що про практичне застосування технології говорити передчасно: одна справа - програмувати без'ядерні бактерії-прокаріоти, а зовсім інша - створювати штучні хромосоми ядерних клітин еукаріотів, тобто клітин всіх рослин, тварин і людини. При адаптації технології до ядерних клітинам виникає дуже багато питань: як перенести ДНК в ядро, як створити і трансплантувати неядерну генетичну інформацію і т.д.

Проте Вентер вважає, що виконані дослідження важливі для фундаментальної науки, оскільки відкривають нові перспективи у вивченні походження життя і пошуку відповіді на питання, які гени відповідають за життя і розмноження живої істоти.

Робота Вентера обіцяє перспективи створення організмів з повністю заданими властивостями і функціями. Правда, це справа досить віддаленого майбутнього. Поки вченим вдалося «лише» реалізувати генетичну програму, яка існує в природі. Але все ж перспективи синтетичної геноміки величезні. Адже так заманливо - змінюючи генетичну програму на свій розсуд, створювати синтетичні бактерії-фабрики, здатні виробляти ліки, поживні білкові речовини, біопаливо, очищати воду від забруднюючих речовин і багато-багато іншого.

Після успішного створення першого штучного організму команда Вентера, та й не тільки вона, сконцентрувала зусилля на здійсненні іншого проекту, логічно випливає з цього досягнення. Мова йде про створення клітини, що містить тільки гени, необхідні для підтримки життя в її простій формі, тобто «мінімальний» геном.

елемент життя

Визначення «мінімального» генома, що забезпечує всі необхідні функції, які дозволяють одноклітинному організму існувати в певному середовищі, - не просте запитання. Вирішення цієї проблеми необхідно для розуміння походження життя на Землі, що включає в себе вивчення шляхів генетичної еволюції і механізму походження геномів як таких. Крім того, «мінімальна» клітина стане базисом для вивчення всіх генів, необхідних для життєдіяльності.

Роботи в цьому напрямку ведуться в основному з бактеріями роду Mycoplasma. Геноми мікоплазм, як уже говорилося, дуже малі (від 580 до 1400 тисяч пар підстав) і добре вивчені. Най-най короткий геном у Mycoplasma genitalium. Його довжина - близько 580 тисяч пар основ, які становлять 485 генів.

Пропонований гіпотетичний мінімальний набір генів (за останніми розрахунками групи Вентера - від 310 до 388 генів) повинен включати наступні життєво важливі генетичні системи мікроорганізмів, серед яких: гени трансляції, реплікації, репарації, транскрипції; гени, які контролюють анаеробний метаболізм; гени біосинтезу ліпідів; гени системи транспорту білків; набір генів, які забезпечують транспорт метаболітів; повний набір генів утилізації нуклеотидів і гени їх біосинтезу. Гени біосинтезу амінокислот мікроорганізмам-паразитам не потрібні.

Вивчаючи геноми мікоплазм, Крейг Вентер і його колеги дуже близько підійшли до розуміння того, що повинен являти собою «мінімальний» геном майбутніх штучних мікробів. Як заявлено в уже поданому ними патенті, «мінімальний» геном - основний будівельний блок або, точніше, основне «шасі» для створення штучних організмів - складається менш ніж з 400 генів. Впроваджуючи «мінімальний» геном в клітку і додаючи до неї інші гени, дослідники мають намір створювати найпростіші організми з новими, заданими наперед властивостями.

Фотографії з сайту Інституту Крейга Вентера (J. Craig Venter Institute) www.jcvi.org.