Синтетика: Искусственный геном
В появившейся 20 мая на сайте журнала Science публикации исследователи из института Дж. Крейга Вентера (JCVI) представили результаты успешно завершившейся работы по созданию первых синтетических самовоспроизводящихся клеток. Группа синтезировала 1080 тыс. пар оснований хромосомы бактерии Mycoplasma mycoides с модифицированным геномом. Синтезированные клетки были названы Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0. Эта работа послужила доказательством того, что геном может быть разработан на компьютере, воссоздан в лаборатории и трансплантирован в живую клетку, в результате чего на свет появится организм «под управлением» искусственного генома.
Работы по созданию клеток с искусственным геномом ведутся специалистами из JCVI на протяжении почти 15 лет. Чтобы завершить финальную стадию процесса, ученые аккуратно смоделировали цифровой геном бактерии M. mycoides. Им потребовалась создать 1078 нуклеотидных последовательностей, каждая из которых состояла из 1080 пар оснований.
Опираясь на разработанную ранее методику «сборки» генома в дрожжевой клетке, ученые создали искусственную хромосому из фрагментов ДНК. Эта хромосома позже была изолирована из клетки дрожжей и помещена в клетку бактерии Mycoplasma capricolum, из которой предварительно были удалены эндонуклеазы рестрикции — внутриклеточные «охранники», способные уничтожить фрагмент чужеродного ДНК.
После ввода ДНК с синтетическим геномом в клетку произошел перенос генетической информации с ДНК на РНК (транскрипция), и далее — с РНК — на новые белки. Исходный геном Mycoplasma capricolumбыл либо уничтожен эндонуклеазами рестрикции «новичка», либо вытеснен в процессе воспроизводства клеток. По прошествии двух суток жизнеспособные бактерии с искусственным геномом были отчетливо видны в чашках Петри с питательной средой.
Долгое время синтез искусственного генома не приводил к появлению жизнеспособных клеток. Команде JCVI пришлось разработать метод проверки и коррекции ошибок: ученые создавали полусинтетические геномы, комбинируя натуральные и искусственные фрагменты ДНК, и проверяли жизнеспособность результата. Малейшая неточность приводила к полной неудаче, но когда все ошибки были исправлены, на свет появилась первая бактерия с искусственным геномом.
Теперь ученые готовы приступить к работе над следующей задачей — созданием полностью синтетической клетки, содержащей только гены, необходимые для поддержания жизни в самой простейшей форме.
В своей публикации 2008 г., посвященной синтезу генома M. genitalium, исследователи описывали возможность создания «водяных знаков», заключенных в геноме. Эти специально разработанные сегменты ДНК используют «алфавит» генов и белков, который позволяет исследователю кодировать слова и целые фразы. «Водяные знаки» — важное средство определения, является ли геном искусственным или естественным, а также способом идентифицировать лабораторию его происхождения. Ученые из JCVI не преминули закодировать «водяными знаками» нового генома свои имена, адрес электронной почты и три цитаты: «Жить, ошибаться, падать, торжествовать, воссоздавать жизнь из жизни» — Дж. Джойс; «Видеть вещи не такими, какие они есть, а такими, какими они могли бы быть» — цитата из книги «Американский Прометей»; «То, что я не могу построить, я не могу понять» — Р. Фэйнман.
Ученые ожидают, что их методика будет использоваться для создания микроорганизмов в экологических и энергетических целях. Распространение технологии приведет к появлению множества новых областей её применения, таких как создание биотоплива, вакцин, очистка воды, фармацевтическая и пищевая промышленность.
С самого начала работ, направленных на создание искусственного генома, д-р Вентер и его команда сталкивались с рядом социальных проблем, в частности, связанных с этической стороной вопроса. В 1995 г. направление подверглось этической экспертизе в Университете штата Пенсильвания, которая вынесла решение о том, что с точки зрения этики нет никаких препятствий продолжению исследований.
По пресс-релизу JCVI