Сотрудники института Крейга Вентера сообщили о новом успехе на пути к созданию искусственных микроорганизмов с заданными свойствами. Используя разработанные ранее методы изготовления синтетических геномов и внедрения их в бактериальные клетки, исследователи создали жизнеспособную бактерию, геном которой содержит всего лишь 531 тысячу пар оснований и 473 гена — меньше, чем у любых существующих в природе микробов, способных к самостоятельному размножению. Противникам подобных экспериментов пока не стоит беспокоиться, искусственный микроорганизм способен жить только в лабораторных условиях.
Группа американских биологов показала, что почти половина генов бактерии Mycoplasma mycoides не является жизненно необходимой. Учёные удалили «лишние» гены и получили бактерию M. mycoides JCVI-syn3.0 с минимальным размером генома, требующимся для жизни, — 473 генов. К удивлению исследователей, для 149 из этих генов бактерии точная функция на сегодняшний день остаётся неизвестной. Работа опубликована в журнале Science.
Бактерии рода Mycoplasma содержат геномы наименьшего размера среди всех живых организмов. Так, геном M. mycoides содержит 1 миллион пар оснований, соответствующих всего 901 гену. Для сравнения: геном человека состоит из 3 миллиардов пар оснований и включает приблизительно 20 тысяч кодирующих белки генов.
Ранее этой же команде удалось разработать технологию трансплантации геномов бактерий: методику, с помощью которой можно полностью заменить геном бактерии X на геном бактерии Y и таким образом получить из клеток бактерий X клетки бактерий Y. С помощью данного подхода биологи полностью преобразовали бактерию M. capricolum в бактерию M. mycoides, используя лишь геномную ДНК M. mycoides. Следующим этапом стала разработка метода искусственного синтезирования генома M. mycoides, с помощью которого потенциально можно вносить любые изменения в ДНК бактерии. Тем не менее изначально учёные сосредоточились на получении искусственного генома, максимально схожего с геномом M. mycoides.
Успешный синтез генома M. mycoides подтолкнул учёных к следующему шагу — получению искусственного генома M. mycoides с минимальным набором генов. Для того чтобы определить несущественные гены, которые могут быть удалены из генома бактерии без серьёзных последствий, учёные применили метод транспозонового мутагенеза. Транспозоны – это такие участки в ДНК, которые способны перескакивать в геноме с одного места на другое. Встраиваясь в различные гены, транспозоны нарушают их работу. Поэтому, если транспозон встроится в жизненно важный ген, клетка погибнет. Можно отобрать живые клетки, в которых произошло встраивание транспозона, и определить точное место встраивания — это и будут несущественные гены.
Изначально учёные определили 440 «лишних» генов. Исследователи предполагали, что могут ошибиться, поэтому не стали удалять все несущественные гены одновременно. Вместо этого они разбили геном M. mycoides на восемь сегментов и стали по очереди замещать каждый сегмент генома M. mycoides на сегмент, из которого искусственно были удалены «лишние» гены. Оказалось, что только один укороченный сегмент не влиял на жизнеспособность клетки. Иными словами, такой подход оказался тупиковым.
На следующем этапе экспериментов вместо грубого деления на «нужное» и «ненужное» исследователи выделили три группы генов: существенные, несущественные и квази-существенные. Удаление квази-существенных генов приводило к последствиям различной тяжести: клетки либо через какое-то время умирали, либо выживали, но росли очень медленно. В первоначальном эксперименте эти гены попадали в группу несущественных и могли стать причиной провала.
Сократив число несущественных генов, учёные вновь предприняли попытку комбинирования одного укороченного сегмента генома (К — короткий) с семью нормальными сегментами (Д — длинный). В результате было получено восемь жизнеспособных штаммов, в каждом из которых 1/8 часть генома была заменена на фрагмент с «выкинутыми» генами (1К+7Д).
Однако если биологи комбинировали восемь коротких сегментов, то клетки вновь погибали. Это объясняется тем, что в клетках некоторые гены выполняют схожие функции. Если удалить один, другой возьмёт на себя его роль. Но если удалить оба гена, клетка погибнет. Представим, что такие два гена оказались в разных сегментах: когда мы убирали ген из одного сегмента, но добавили семь полноразмерных сегментов Д, клетка выживала, потому что ген из сегмента Д брал на себя функцию гена из сегмента К. Но если брали восемь сегментов К, оба гена были удалены, и в клетке не оставалось белков, способных выполнять какую-то важную для жизни функцию.
В связи с этим на завершающей стадии при получении генома, состоящего только из существенных и квази-существенных генов, учёным пришлось применить ещё одно методологическое ухищрение. Они добавили по одному гену из каждой такой пары и таким образом наконец получили жизнеспособный организм.
В конечном счёте была получена бактерия, содержащая всего лишь 473 гена. Из них 48 процентов генов отвечают за хранение, поддержание, реализацию и передачу генетического материала. Гены, регулирующие метаболизм клетки, составляют 17 процентов минимального генома. Ещё 18 процентов генов отвечают за поддержание клеточной мембраны. К удивлению исследователей, для 149 генов, входящих в состав минимального генома, точная функция неизвестна. В некоторых случаях учёные смогли по последовательности гена определить, к какому семейству будет относиться кодируемый геном белок, и «приписать» ген к той или иной функциональной группе. Тем не менее для ряда генов неизвестно ничего, кроме того, что они встречаются и у многих других бактерий, и даже эукариот. Этот факт свидетельствует о неполноте наших знаний даже по части базовых процессов, лежащих в основе жизни клетки, и открывает учёным новые горизонты исследований.
КОММЕНТАРИИ