Створено синтетичний організм з мінімальним набором генів.
Журнал додано до кошика.
Створено синтетичний організм із мінімальним набором генів
З 473 генів, без яких не може обійтися новий одноклітинний Франкенштейн, функції майже півтори сотні залишаються невідомими.
Кількість генів у всіх живих істот є різною. З одного боку, тут дуже багато залежить від складності організації: багатоклітинному хробакові нематоді генетичної інформації потрібно більше, ніж одноклітинної бактерії, а ссавцеві генів потрібно більше, ніж хробакові.
З іншого боку, у будь-якого організму геном влаштований так, щоб одні гени підстрахували інші - якщо один з них вийде з ладу, це не обов'язково призведе до загибелі (нещодавно ми писали, як деякі гени, які вважалися для людини абсолютно необхідними, такими не виявилися – люди без них можуть прожити.
Нарешті, деякі гени потрібні тільки в нестандартних, стресових ситуаціях, а якщо ситуація навколо більш-менш нормальна і комфортна, то вони ніби й не потрібні. Наприклад, та ж бактерія може потрапити у виключно сприятливе живильне середовище, з ідеальними показниками температури, вмісту солей, поживних речовин і т. д., а може, навпаки, перейти на голодний пайок, та ще випробувати на собі підвищення солоності чи кислотності. І набір необхідних виживання генів у обох випадках буде різний.
Усвідомивши, що одні гени можуть бути потрібнішими за інші, біологи прийшли до концепції мінімального геному – тобто мінімального набору генів, без яких організм не виживе. В 1996 Аркадій Мушегян і Євген Кунін оцінили мінімальний необхідний геном для бактеріальної клітини в 256 генів; 2004 року іншими дослідниками був запропонований набір у 204 гени.
Деякий час міркування промінімальному геномі обмежувалися теоретичним аналізом послідовностей ДНК, поки в 2010 році в Інституті Крейга Вентера не з'явився синтетичний організм, зібраний з двох бактерій мікоплазм: з клітини Mycoplasma capricolum витягли її власну ДНК (нагадаємо, що у бактерій всі гени в одну-єдину кільцеву хромосому), а натомість пересадили штучно синтезований геном, створений на основі генів Mycoplasma mycoides. (Від експериментів із самоїM. genitaliumвирішили відмовитися, оскільки вона дуже повільно росте – на відміну від мікоплазмM. mycoidesтаM. capricolum, які розмножуються набагато швидше.) організм, що вийшов, назвали JCVI-syn1.0, проте, хоча його ДНК і була синтезована в лабораторних умовах, пристрій геному JCVI-syn1.0 копіювало пристрій геномуM. mycoides, і від мінімального він був досить далекий.
Дослідники спробували позбутися генів, які відповідають за синтез поживних речовин (їх можна було додати в середу, щоб клітина жила на всьому готовому), а також викинути деякі некодуючі області. Але з такого підходу нічого не вийшло, клітки гинули. Тоді дослідники випробували інший підхід: всю ДНК розбили на кілька сегментів і почали їх комбінувати один з одним, щоб зрозуміти, які гени важливі, а які не дуже. Ці експерименти привели до певного роду до очікуваного висновку, що навіть простий бактерії для нормального життя потрібні не тільки гени, які кодують білки, а й регуляторні послідовності ДНК, які самі нічого не кодують, але впливають на активність інших генів.
Подальші дослідження дозволили розділити всі гени M. mycoides на три групи: суттєві (тобто життєво важливі), несуттєві, і «як би суттєві» - вВ останній групі виявилися, які, строго кажучи, для виживання клітини не потрібні, але без яких розмноження бактерій сильно сповільнюється. В результаті вдалося зібрати ДНК з 531 тисяч підстав, що кодує 473 гени (438 - білок-кодуючі послідовності, і ще 35 - кодуючі службові РНК, наприклад, РНК рибосом, без яких ніяка клітина не виживе) - в порівнянні з природним геномомMycoplasma genitalium, в якому всього налічується 525 генів, синтезований геном виявився «найменшим».
Чергову синтетичну бактерію назвали JCVI-syn3.0, вона виявилася цілком життєздатною: її колонія подвоювалася на три години, що, звичайно, повільніше порівняно з мікоплазмою M. mycoides , у якої це йде 1 годину, але набагато швидше, ніжM. genitalium, яка подвоюється за 18 годин. Докладно новий «бактеріальний Франкенштейн» описується у статті уScience.
Звичайно, JCVI-syn3.0 довелося забезпечити майже всі поживні речовини - щоб мінімальний геном працював, клітина повинна була знаходитися в ідеальних умовах. Функції життєво важливих генів легко вгадати, вони займаються синтезом ДНК, білків та мембран. Однак серед них було 149 генів, щодо яких досі незрозуміло, навіщо вони потрібні. Причому багато хто з них виявився досить консервативним у ході еволюції, тобто деякі з цих 149 у майже незмінному вигляді можна виявити навіть у вищих еукаріотів. Дивно, звичайно, що у нас досі є майже півтори сотні генів, які абсолютно необхідні всім живим істотам і про які ми досі нічого не знаємо, крім їхньої послідовності. Але, з іншого боку, саме такі «синтетичні» роботи повинні допомогти нам дізнатися про такі гени якнайбільше.
Говорячи про синтетичний організм JCVI-syn3.0,Необхідно пам'ятати, що його отримали зовсім не з неорганічного «первинного супу», в якому на Землі зародилося життя. Тут штучно синтезовану ДНК для JCVI-syn3.0 помістили в готову клітину, позбавлену свого геному. Сам Крейг Вентер вважає, що подібні експерименти врешті-решт відкриють нам таємницю життя. Вентер відомий своїми подвигами на ниві розшифровки геному людини: співробітники компанії Celera Genomics стали одними з перших, хто зміг повністю прочитати людську ДНК. Згодом він впритул зайнявся проблемою синтетичного життя, і вже багато років поспіль Вентер та його колеги регулярно займають перші смуги наукових та науково-популярних видань із повідомленнями про нові успіхи в геноміці та створення штучних організмів.
Невідомо, чи дізнаємося ми, як влаштоване життя, але фундаментальні принципи організації геному (і не тільки бактеріального) за допомогою таких (напів-)синтетичних клітин цілком можна дослідити. Можливо, у перспективі ми навіть зможемо створювати бактерії «на замовлення», які виконуватимуть ту чи іншу біохімічну роботу. Однак, як слушно зауважує журнал Nature, серед інших описує нову синтетичну бактерію, зараз у біологів з'явився потужний молекулярний інструмент CRISPR/Cas, створений на основі бактеріального противірусного імунітету – з його допомогою можна легко редагувати як ДНК, так і РНК, спостерігаючи, як змінюється функція гена і як це впливає на роботу геному в цілому. CRISPR/Cas з боку виглядає не так ефектно, як синтетична бактерія, але, можливо, у сенсі розуміння молекулярно-генетичних аспектів життя він виявиться ефективнішим.