Синтезирован искусственный геном

Химический маркер (синий цвет) демонстрирует способность бактерии с синтезированным геномом размножиться в жизнеспособную колонию.

Ученые создали «с нуля» бактериальный геном и использовали его для превращения бактерии одного вида в бактерию другого вида.

Даниель Гибсон (Daniel Gibson) и его коллеги из Университета Дж. Крейга Вентера в Роквилле (J. Craig Venter Institute in Rockville, США) синтезировали геном бактерии Mycoplasma mycoides, состоящий более чем из 1,1 миллиона пар нуклеотидных оснований. Получив геном внутри дрожжевой клетки, исследователи перенесли его в клетку бактерии Mycoplasma capricolum. Колония бактерий, полученная в результате деления клетки с искусственным геномом, вырабатывала только те белки, которые характерны для Mycoplasma mycoides. Успех разработчиков метода делает возможным создание и последующее изучение новых вариантов существующих организмов.

«Наш подход позволяет начать с секвенирования ДНК и создать новые организмы с заданными характеристиками, - рассказывает Гибсон. – Мы можем внести любые изменения в геном на уровне нуклеотидов. Ученые уже разработали много хороших методов создания искусственных генов, - добавляет он, - но предложенный нами способ дает беспрецедентную возможность одномоментно внести в геном большое число изменений, а также добавить участки ДНК, которые не существуют в природе, но могут быть разработаны для выполнения организмом полезных функций».

Шаг за шагом

Создание «искусственной клетки», как сказано в сообщении, опубликованном в интернет-журнале Science today [1], ознаменовало успешное комбинирование результатов всей предшествующей работы. Сначала команда исследователей разработала метод перенесения ДНК M. Mycoides в M. Capricolum. Затем была проведена серия экспериментов на бактерии Mycoplasma genitalium, чей геном составляет приблизительно половину длины генома M. Mycoides. В данной серии отдельные части синтетического генома были «сшиты» в единое целое, и геном был клонирован в дрожжевой клетке.

Ученым в течение долгого времени не удавалось перенести созданную цепь ДНК в разные виды бактерий, поскольку молекулярные системы бактериальной клетки узнавали чужеродную синтетическую молекулу, имеющую иной профиль метилирования, нежели собственная клеточная ДНК. Был разработан специальный метод метилирования синтетической ДНК (присоединения метильных групп к определенным участкам молекулы). Также пришлось инактивировать фермент ДНКазу, который разрушает чужеродные молекулы ДНК, в клетке-реципиенте.

Созданный искусственный геном - почти точная копия его природного двойника, лишенная нескольких несущественных генов и несущая небольшое количество ошибок последовательности, не влияющих на функционирование организма. Также ученые включили в искусственный геном некоторые маркеры, позволяющие отличить его от естественного.

«Это – значительное достижение, - говорит Кристофер Войгт (Christopher Voigt), специалист по синтетической биологии из Калифорнийского Университета в Сан-Франциско (University of California). – Важно, что впервые для изменения ДНК и получения новой жизнеспособной клетки потребовалась только информация генома».

Новая разработка

До настоящего момента не понятно, насколько полезен созданный учеными полноценно функционирующий геном. Исследователи Джеймс Коллинз (James Collins) и Говард Хьюз (Howard Hughes) из Медицинского Института Бостонского Университета штата Массачусетс (Boston University in Massachusetts), утверждают, что, в принципе, «разработанный метод позволяет значительно облегчить внесение крупномасштабных изменений в геном и вводить в организм комплексные каскадные реакции». Это означает, например, введение в бактерию длинной последовательности генов, чьи продукты затем позволят получить биологическое топливо или белок, являющийся медицинским препаратом.

К сожалению, знания исследователей о генетических взаимосвязях все еще недостаточны для того, чтобы сконструировать подобный «рабочий» геном. «Предстоит провести большую работу, прежде чем будет создана генетическая система размером с целый геном, - объясняет Войгт. – Пока что мы не имеем оснований для размышлений на таком уровне».

«Кроме того, - добавляет Коллинз, - синтез ДНК – дорогостоящая методика и, по крайней мере сейчас, большинство исследовательских групп не имеет достаточно денежных средств для создания целых геномов.

Гибсон рассказал, что команда ученых под его руководством пытается создать разные типы модифицированных клеток с искусственным геномом, используя различные виды бактерий. Также планируется продолжить работу над этим проектом и создать клетку «наименьшего достаточного размера», которая будет содержать только те гены, которые необходимы для ее выживания. «Наконец-то мы располагаем методом определения функциональных возможностей генома, - говорит Гибсон. – Теперь мы можем узнать наименьшее число генов, необходимое для поддержания жизни».