Изисква се минимум
Колко скоро ще се научим да програмираме живи организми от нулата
Най-малкият геном
Самият Вентър смята, че работата му по създаването на изкуствен живот е започнала преди 20 години, когато през 1995 г. той и колегите му за първи път напълно дешифрират генома на живо същество - бактерията Haemophilus influenzae. През същата година изследователите „унищожиха“ ДНК на бактериятаMycoplasma genitalium
. Тя има най-късия геном от всички живи организми, тъй като микоплазмата води паразитен начин на живот в клетките на приматите и не се нуждае от собствени сложни механизми, а оттам и от кодиращите ги гени, за да си набавя хранителни вещества. Тогава Вентър и колегите му излязоха с идеята да се опитат да получат минимално необходимия геном и да видят от колко гена се нуждае най-простата клетка за живот.
През 2010 г. те успяха да синтезират целия геном на друг вид микоплазма,Mycoplasma mycoides, с 901 гена. От него чрез „изрязване“ на гените, без които клетката би могла да живее, учените успяха да получат минимален геном. Той включва само 473 гена - два пъти по-малко от "оригиналната" версия. Най-изненадващото е, че функциите на около една трета от тези гени, абсолютно необходими за живота на микоплазмата, са неизвестни на науката.
Самият Вентър вярва, че неговите разработки скоро ще помогнат да се направят необходимите микроорганизми „по поръчка“, добавяйки необходимите функции към „заготовките“ под формата на минимални генетични последователности. Вярно ли е, че генетиците скоро ще се научат как да програмират живи организми от нулата и защо е необходимо всичко това, обяснява Александър Манолов, служител в лабораторията по биоинформатика на Федералния научно-практически център по физико-химическа медицина.
— Защо е необходимо да се определи минималният геном?
– Търсенето на минимален геном помага да се оцени важността на всеки отделен генза най-основните процеси в клетката - растеж и делене, както и за идентифициране на случаи на излишък, когато една и съща функция се дублира от различни гени. Тоест една от задачите е да се задълбочат знанията за функциите на конкретни гени.
Ако мислим за живата клетка като компютър и генома като изходен код на програми, тогава идеята на Вентър може да бъде преформулирана по следния начин: трябва да отделите операционната система (или ядрото на операционната система) от спомагателните помощни програми. Тук се проявява друга вероятна полза от знанието за минималния геном: колкото по-кратък е изходният код, толкова по-вероятно е той да ги разбере.
Ако погледнете по-нататък, работата по създаването на изкуствени геноми и изкуствени живи клетки са стъпки към разбирането на разликите между живите и неживите. И като че ли сме едва в началото на това пътуване.
— Защо в началото? Клетките на Вентър вече живеят безопасно.
Бактериите са най-простите живи същества. Но дори и в тях разбирането и моделирането на протичащите процеси все още е непосилна задача. Ние знаем какви функции имат продуктите на отделните гени: някои от тях участват в създаването на структурата на клетките, други са необходими за извършване на химични реакции, които осигуряват на клетката енергия и градивни елементи. Някои гени са необходими не за кодиране на протеини, а за регулиране - включване и изключване на други гени. Най-трудното за разбиране е как комбинацията от отделни функции създава стабилна жива система, която е в състояние да поддържа жизненото си състояние въпреки външни влияния и случайност (поради Брауновото движение на молекулите вътре в клетката) на процесите, протичащи в нея. Фактът, че разбирането ни за работата на клетката все още е непълно, се доказва и от историята на опитите за създаване на минимален геном от групата на Вентър.
— Как са решили този проблем?
- ПървоначалноВ опитите си да създадат изкуствен геном с минимален размер, те изхождаха от знанията за ролята на отделните гени и идеите за процесите, които благодарение на тях могат да възникнат в живата клетка. Генната последователност е синтезирана "ръчно" въз основа на декодирания геном на бактерията Mycoplasma mycoides. След като геномът е синтезиран, той е поставен в клетка, от която е отстранен естественият му геном. Първоначално получената клетка се оказва нежизнеспособна: не се наблюдава делене и растеж. Бяха необходими няколко етапа на експериментална работа, за да се избере набор от гени и регулаторни региони на генома, които позволяват на клетката да расте и да се дели. За да направят това, учените проведоха експерименти за изкуствена мутагенеза чрез транспозони.
— Какво представляват транспозоните?
- Транспозоните са "скачащи" последователности в генома, които са подредени по такъв начин, че да могат да се изрязват и да ги поставят на друго място. Мястото, където се поставя транспозонът, е повече или по-малко случайно. Интегрирайки се в ген, транспозонът го "разбива", тоест протеинът престава да се синтезира от гена. Обикновено "скачането" на транспозоните се случва доста рядко и по-често при стресови условия. Възможно е изкуствено да се активират транспозони в клетките за известно време и след това да се наблюдава коя от клетките е оцеляла. В такива клетки транспозоните ще бъдат вградени в области, които не са критични за живота, и клетките с транспозони във важни гени ще умрат. Подобен метод може да се използва за търсене на гени, които са необходими за живота или чието разграждане значително забавя растежа на клетките. Тази информация е използвана от Вентър, за да създаде текущата версия на минималния геном.
В същото време бяха запазени не само важни гени, но и регулаторните региони, разположени с тях, тъй като не е достатъчно да има само набор от гени - необходимо е също така да се осигури тяхната координация.работа. В резултат на това е получено някакво приближение (за момента най-доброто, но най-вероятно не окончателното) до минималния геном, който дава възможност на клетката да се възпроизвежда и размножава в "рая" - богата среда, съдържаща всички необходими вещества в готова за употреба форма.
— Тоест техният минимален геном все още може да бъде „свит“?
„Въпреки че полученият геном е значително по-малък от оригиналния: 531 000 „букви“ вместо оригиналните 1079, той не е много по-малък от „естествения“ геном на друг вид микоплазма, успешен човешки патоген, Mycoplasma genitalium, чийто размер е 577 000 „букви“. Най-важното тук обаче не е самата "записна" последователност, а информацията, получена по време на нейното създаване: бяха изяснени функциите на отделните гени, показан е провалът на опитите за решаване на проблема за създаване на геном "на челото", например, като се вземе като минимален геном само набор от гени, които всички бактерии имат.
—Възможно ли е да се каже, че в резултат на това е създаден синтетичен живот?
- Не. Принципите на произхода на живота от живота и клетките от други клетки все още не са нарушени и изглеждат много твърд орех, както поради чисто технически трудности, така и поради липсата на познания за същността на процесите, които изграждат живота.