Мировая наука делает новые шаги по направлению к тому, чтобы синтезировать искусственный геном для живой клетки. Журнал Sciense публикует обзор на эту тему, в котором появление синтетической биологии сравнивается с такими проектами, как остановка рек или выведение нового сорта арбуза, у которого семечки сами разбегаются, как тараканы. Примерно такой же фантастикой кажется создание микроорганизма с искусственно синтезированным геномом.
Тем не менее, существуют работы, делающие важные шаги в этом направлении. Одно из таких исследований было проведено Фредериком Блаттнером (Frederick Blattner) из Университета Висконсина (University of Wisconsin, Madison), который работал с геномом кишечной палочки Escherichia coli, уменьшая ее геном настолько, насколько это было возможно.
E.coli используется всеми биологами мира для манипуляций с генами, в том числе с генами других организмов. Ранее были прочтены геномы нескольких штаммов E.coli и выяснено, что в среднем геном содержит 3.7 миллионов пар нуклеотидов, сходных у всех штаммов, и еще один миллион пар нуклеотидов, отличающийся у разных штаммов E.coli. Оказалось, что каждый штамм содержит свой уникальный «островок» ДНК. Группа исследователей под руководством Блаттнера постепенно удаляла части этих «островков», проверяя жизнеспособность бактерий с уменьшенным геномом. Всего было сделано 43 подобных удаления ДНК из генома, не повлиявших на жизнеспособность бактериальных клеток.
Таким образом, Блаттнером было показано, что из 4444 генов, найденных в E.coli путем секвенирования ее полного генома, существенными для выживания являются не более 3500 генов. Остальная ДНК представляет собой несущественный для простого выживания генетический материал. Интересно, что штаммы E.coli с “истощенной” хромосомой, которые были получены Блаттенром, в 10 раз лучше встраивают в себя новые гены, чем обычные штаммы, используемые в генетической инженерии. Кроме того, такие штаммы выгоднее использовать как в промышленности, так и в научных лабораториях, так как вероятность спонтанных хромосомных перестроек в них меньше из-за отсутствия «лишней» ДНК.
Другой подход, позволяющий изменять структуру генома, был предпринят Дрю Энди (Drew Endy) из Массачусетского технологического Института (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge ). Иссдедования проводились на фаге T7 - вирусе, поражающем клетки бактерий. Этот вирус имеет перекрывающиеся гены в геноме, то есть один и тот же фрагмент ДНК может содержать участки сразу двух вирусных генов. Группа исследователей под руководством Энди “разделила” перекрывающиеся гены, сделав их индивидуальными путем вставок необходимых участков ДНК. В геном фага размером 40 тысяч пар нуклеотидов были вставлены участки ДНК общим размером 600 нуклеотидных пар. Оказалось, что подобное вмешательство в геном вируса не нарушило системы генной регуляции, так как такой вирус мог заражать бактерии и размножаться в клетках. Работа Энди продемонстрировала, что можно переконструировать геном не только добавлением и удалением отдельных генов, но и вмешательством в структуру геномной организации.
Еще один шаг в этом направлении был сделан при исследовании самого маленького генома, принадлежащего бактерии Mycoplasma genitalium. В ее геноме содержится около 500 генов и около 100 генов оказались не существенными для ее выживания.
Конечная цель подобных исследований состоит в том, чтобы полностью создать живой организм «из пробирки», то есть искусственно. На этом пути существует несколько препятствий, первое из которых состоит в том, чтобы синтезировать искусственную хромосому. Для этого необходимо уметь соединять очень большие куски ДНК друг с другом, для чего необходима разработка новых технологий. Во-вторых, существует проблема удаления собственной ДНК из клеток бактерий. Это сделать сложнее, чем с клетками эукариотических организмов, у которых ДНК сосредоточена в ядре. У бактерий нет ядра, их ДНК более или менее распределена по всей клетке, поэтому удалить ее полностью сложно.
Третья проблема сходна с проблемой курицы и яйца. Чтобы клетка жила, ей необходим геном. Чтобы геном функционировал, необходимы уже существующие компоненты клетки (хотя их существование и определяется геномом). Пока решения этой проблемы не существует, поэтому полностью синтезированный в пробирке организм – дело далекого будущего.
Тем не менее, синтез искусственного генома может стать реальностью, так же как и введение его в живую клетку с удаленным из нее собственным геномом. Подобную задачу ставит перед собой новый раздел науки, названный синтетической биологией. Развитие этого направления может открыть новую эру в науке и в частности, в биотехнологии, улучшив наше понимание того, как функционируют живые организмы. Крейг Вентер (Craig Venter) из Института Роквилла (J. Craig Venter Institute, Rockville, Maryland), известный тем, что возглавлял проект “Геном человека”, говорит, что «иногда бывает сложно отличить желаемое от действительного в синтетической биологии, но теперь это безусловно передний край биологических исследований».
Яна Войцеховская
