Създадоха първото живо същество със синтетичен геном • Александър Марков • Научни новини на
Институтът J. Craig Venter обяви успешното създаване на първия микроорганизъм с изкуствен геном. Геномът, събран от химически синтезирани ДНК фрагменти, пое контрола върху живите бактериални клетки, в които беше въведен, след което всичките им свойства започнаха да съответстват на съдържащите се в него „инструкции“. Това постижение, за което са похарчени 40 милиона долара и 15 години работа, ни позволява да се надяваме, че създаването на микроби със свойствата, от които хората се нуждаят, не е далеч, включително ефективни производители на ваксини, антибиотици и евтино гориво.
Крейг Вентър и колегите му вече 15 години упорито вървят към голямата цел да създадат изкуствени микроби с желани свойства. През 1995 г. те секвенират генома на бактериятаMycoplasma genitalium, която има най-малкия геном сред организмите, способни на самовъзпроизвеждане в лабораторна култура (само вътреклетъчните симбионти и паразити имат по-малки геноми).
В хода на по-нататъшната работа беше показано, че от приблизително 500M. genitaliumповече от сто не са жизненоважни. Те могат да бъдат премахвани или дезактивирани един по един и това не засяга жизнеспособността на бактерията. Тези изследвания позволиха грубо да се очертае минималният набор от гени, необходими за поддържане на живота и размножаването на бактериите в лабораторията.
Впоследствие екипът на Вентър изоставиM. genitaliumкато основна цел, тъй като тази бактерия се репликира твърде бавно. Учените преминаха към по-бързо растящ вид,M. mycoides.Неговият геном е взет като основа за дизайна на първите изкуствени геноми и за ролята на реципиента(бактерии, в които ще бъде въведен синтетичният геном) избра друг вид микоплазма -M. capricolum.
Следващият важен крайъгълен камък беше постигнат през 2008 г., когато екипът докладва за успешното сглобяване на пълния геном наM. genitaliumот химически синтезирани фрагменти (Gibson et al. Complete Chemical Synthesis, Assembly, and Cloning of a Mycoplasma genitalium Genome //Science. 2008. V. 319. P. 1215–1220). ДНК молекули с дължина няколко хиляди базови двойки (bp) сега се правят по поръчка от биотехнологични фирми като Blue Heron. Давате на такава компания нуклеотидна последователност под формата на текстов файл, плащате пари и получавате желаната молекула или в чист вид, или като плазмид, вмъкнат в жива E. coli. Но да се сглобят големи молекули с дължина стотици bp от такива фрагменти, и още повече целият бактериален геном, е технически доста трудна задача (размерът на генома наM. genitaliumе около 600 хиляди bp,M. mycoidesе милион bp).
Вентър и колегите му разработиха ефективна, макар и трудоемка технология за такова сглобяване. Първо, желаните ДНК фрагменти се подреждат с припокриващи се 80-нуклеотидни крайни секции. След това дузина съседни фрагменти се въвеждат в клетките на дрождите, където поради наличието на припокриващи се краища те се комбинират в правилния ред. Получените по-големи ДНК фрагменти се прехвърлят в E. coli, размножават се, след което се въвеждат отново в дрожди, където се комбинират в още по-големи фрагменти и т.н.
Авторите трябваше да преодолеят много технически трудности, преди да успеят да произведат синтетичен геномM. genitalium, и след това два пъти по-голям геномM. mycoides. Например, как да отделите избраниот дрожди синтетични бактериални хромозоми от ДНК на самата мая? Авторите са използвали факта, че бактериалните хромозоми са кръгли, докато хромозомите на дрождите са линейни. Желаните молекули са „уловени“ с помощта на разтопена агароза, чиито влакна, когато се втвърдят, преминават през кръговите ДНК молекули и ги фиксират в агарозния гел, докато линейните дрождени ДНК молекули остават нефиксирани и могат да бъдат отстранени от гела с помощта на електрофореза.
В резултат на това всички трудности бяха загърбени и на 20 май на уебсайта на списаниетоScienceсе появи сензационно съобщение за създаването на първите живи същества със синтетичен геном. Както в предишни експерименти с трансплантация на геном, реципиентните клетки напълно се пренареждат според инструкциите, написани на новата им синтетична хромозома. Нищо от оригиналаM. capricolum: всички протеини и всички свойства на клетките започнаха да съответстват на новия геном.
Дали тези бактерии могат да бъдат наречени "синтетични", "изкуствени" е по-скоро философски въпрос, отколкото биологичен. Някои експерти смятат, че не може, тъй като цитоплазмата на бактерията реципиент, в която е вмъкнат изкуственият геном, не е синтетична. Вентър смята, че е възможно, тъй като след трансплантацията цитоплазмата е напълно трансформирана в съответствие с новия геном. В крайна сметка генетичният "софтуер", за разлика от компютърния софтуер, създава цялото необходимо "желязо" за себе си. Всъщност основното философско и идеологическо значение на работата на екипа на Вентър се крие в прякото експериментално доказателство на този принцип (в което биолозите вече са били сигурни въз основа на по-косвени факти).
Един многострадален геном беше изолиран от „синтетични микроби“ и секвениран, за да се разбере какво се е случило в крайна сметка.се случи. Открити са няколко мутации (нуклеотидни замествания), които са възникнали по време на сглобяването, което очевидно не е повлияло на жизнеспособността на бактериите. Един несъществен ген беше нокаутиран от преносим генетичен елемент (транспозон), характерен заE. coli. Транспозонът успя да се интегрира във фрагмент от синтетичния геном, когато беше клониран в Escherichia coli. Друг ген се провали поради случайно дублиране (удвояване) на ДНК фрагмент с дължина 85 нуклеотида. Общо 14 гена, присъстващи в "дивия"M. mycoides.
Важността на тази работа е, че тя показа фундаменталната възможност за целенасочен дизайн на микроорганизми и техническата осъществимост на всички етапи на процеса. За първи път големи промени в текста на генома наM. mycoidesне допринесе, но все още напред. По принцип вече е възможно да се проектира геном на компютър, да се преведе в ДНК формат и да се зареди генетичната програма в цитоплазмата на жива клетка. Изпълнението ще започне автоматично.
Методологията, разработена от Вентър и колегите му, все още има много ограничения. След геномна трансплантация известно време в бактериалната клетка има смес от "стари" протеини, кодирани в генома на реципиентната клетка, и "нови" протеини, кодирани в имплантирания геном. Очевидно тези протеинови набори не трябва да влизат в конфликт помежду си, за да може клетката да оцелее през преходния период. Какво се случва, ако вмъкнете вM. capricolumгеном, който е по-различен от собствения си, отколкото генома на близкородствения видM. mycoides? Най-вероятно в близко бъдеще ще научим за това от нови статии на Вентър и неговите колеги.
По-сериозни опасенияпредизвиква намерението на ръководената от Venter Synthetic Genomic, която финансира проекта, да патентова новооткритите техники. Няма ли Synthetic Genomic да стане монополист в производството на "софтуер" за изкуствени микроби, подобно на Microsoft?