Первую клетку с полностью синтетическим геномом минимального размера научили корректно размножаться
Новый штамм бактерий рода Микоплазма не только обладает полностью созданной в лаборатории ДНК, но и способен правильно размножаться. Развивая свой Проект Минимального Генома, американские ученые нашли семь недостающих последовательностей нуклеотидов, необходимых для корректного деления клеток этого организма. Правда, конкретные функции пяти из них пока неизвестны, определить их — задача для дальнейшей работы.
Впервые ученые смогли создать жизнеспособную клетку с искусственным геномом в 2010 году. Этот организм назвали JCVI-syn1.0 (также известен как Mycoplasma laboratorium) и он стал отправной точкой для последующих манипуляций. Цель специалистов из Института геномики Дж. Крэйга Вентера (J. Craig Venter Institute) и их коллег из других подобных учреждений — найти минимальный размер ДНК, необходимой для поддержания жизни.
В качестве исходного материала использовалась бактерия Mycoplasma genitalium, один из основных кандидатов в возбудители воспаления мочеполовых путей у людей. Она интересна для ученых тем, что обладает самым маленьким геномом среди живых организмов, которые удалось вырастить в лаборатории (не считая вирусов, но они не реплицируются вне клетки-хозяина) — 580000 пар оснований или 482 гена.
После долгой работы и серии экспериментов по синтезу генетического материала и переносу его из реактора в заранее «очищенные» от ДНК клетки, ученые смогли найти необходимый для жизни полусинтетических микоплазм минимум — 382 гена. К моменту появления JCVI-syn3.0 удалось научить эти клетки полноценно функционировать и даже худо-бедно делиться. Но продукт такого размножения был плачевным: в результате него получались бактерии не поддерживающие шарообразную форму. Из-за этого они не могли нормально продолжать жизнедеятельность.
Новая работа, опубликованная в рецензируемом журнале Cell, показывает, что теперь ученым удалось преодолеть и эту трудность. В создании очередного штамма Mycoplasma laboratorium — JCVI-syn3A, — специалистам из Института Дж. Крэйга Вентера помогали коллеги из Массачусетского технологического института (MIT) и Национального института стандартов и технологий США (NIST). Причем именно последняя команда разработала ключевую технологию, необходимую для контроля за популяцией полусинтетических микоплазм.
Дело в том, что бактерии этого рода не имеют клеточной стенки, а также очень хрупкие и мелкие. Проводить какие-либо манипуляции с ними, не повреждая при этом нежные организмы, довольно трудно. Поэтому инженеры NIST создали специализированные миниатюрные прозрачные хемостаты — биореакторы с непрерывной циркуляцией питательной среды. Благодаря этому получилось выращивать JCVI-syn3A, проводить с ними все необходимые процедуры и легко наблюдать за делением в мощный оптический микроскоп (микоплазмы еще и очень мелкие — в сотни раз меньше кишечной палочки).
Чтобы JCVI-syn3A делился корректно и в результате получались правильные шарообразные бактерии, этому штамму вернули 19 генов, которые ранее отсекли от ДНК JCVI-syn3.0. Семь из них в ходе экспериментов определили, как необходимые для размножения. Что интересно, функции только двух этих критически важных комбинаций нуклеотидов до конца ясны ученым. Что конкретно делают еще пять — предстоит установить позднее, в текущей научной работе цель стояла иная.
Создание полноценного микроорганизма с искусственным геномом минимально возможного размера позволит выполнить заветную мечту многих биологов: конструировать живые инструменты. Добавляя или удаляя фрагменты ДНК с известными функциями ученые смогут буквально программировать бактерии на любые цели. Перспективы огромны: производство медикаментов и конкретных химических веществ, в том числе переработка отходов, адресная доставка лекарств в организм человека, биосенсоры и биокомпьютеры — иными словами, на что только хватит воображения.
Несмотря на впечатляющий прогресс, впереди у специалистов по геномике работы еще невпроворот. Как хорошо видно, если оценивать эффективность экспериментов по длине ДНК, то в своих изысканиях они только подобрались к достижениям эволюции. Судите сами: Mycoplasma genitalium — 482 гена, JCVI-syn1.0 — 901 ген (около миллиона пар оснований), JCVI-syn3.0 — 473 гена, а JCVI-syn3A — 480. Правда, не стоит забывать, что в синтетической ДНК специально были добавлены фрагменты, позволяющие однозначно отличить искусственный штамм от «дикого» и делающие его не заразным. Прогресс есть и он впечатляет, особенно учитывая огромный багаж полученных знаний о генетике микроорганизмов.
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.