The Economist, Великобритания

Каков минимальный размер генома, необходимого для функционирования живого организма?

03.04.2016

Не каждый ученый, подобно Крейгу Вентеру (Craig Venter), может похвастаться тем, что его имя известно в широких научных кругах. В 1990-е годы доктор Вентер профинансировал параллельную версию проекта «Геном человека», применив более продвинутую технологию, по сравнению с той, что использовалась в международном проекте (последний в значительной степени позаимствовал подход Вентера). Ученый впервые создал синтетический вирус из общедоступных реактивов, а затем ему впервые в мире удалось синтезировать геном бактерии — модифицированную копию ДНК бактерии Mycoplasma mycoides.

Однако, осталась еще одна не решенная до сих пор задача — о минимальном геноме. Она формулируется так: каков минимальный геном бактерии, при котором она способна оставаться живой? Ответить на данный вопрос необходимо для того, чтобы разобраться с принципами функционирования бактерий и вопросами их эволюции. Это поможет заложить надежный фундамент для конструирования новых микроорганизмов, которые смогли бы приносить пользу всему человечеству, — в этом и заключается вклад синтетической биологии, которая сейчас бурно развивается. Вентер считает, что в этой области он добился успеха.

Свою методику он недавно опубликовал в журнале Science вместе Клайдом Хатчинсоном (коллегой по институту J. Craig Venter Institute (JCVI) в Сан-Диего, Калифорния; Хатчинсон возглавлял команду ученых, выполнявших эту научную работу); помимо него в исследовании принял участие еще 21 человек. Свою работу ученые начали с бактерии Mycoplasma mycoides, у которой имеется около 900 генов; кстати, Mycoplasma mycoides — это организм, обладающий самым маленьким геномом из всех живых существ. В начале 1990-х годов, работая с разными видами этой бактерии, Вентер решил использовать следующую методику: «выбивать» по одному гену из генома, а затем проверять, сможет ли бактерия выжить без этого выбитого гена. Ученые выявили 150 несущественных генов, однако это вовсе не означало, что без них бактерия смогла бы выжить. В некоторых случаях указанные гены друг друга дублировали. Однако если этот механизм дублирования убрать, выбив слишком большое количество генов, то бактерия погибнет. Возникает вопрос: какие из несущественных генов можно отбросить?

«Выбиваем» гены

На основе знаний, накопленных молекулярной биологией, в том числе и по результатам опытов с «выбиванием генов», ученые предположили, что можно в конечном итоге получить «гипотетический минимальный геном» (HMG), состоящий всего из 471 гена. Но оказалось, что здесь не все так просто. При использовании метода синтезирования по Вентеру, бактериальный геном разделяли на восемь частей; затем, каждую «восьмушку» собирали отдельно, а потом все восемь фрагментов сшивали. В ходе экспериментов по синтезированию генома бактерии M. mycoides путем сшивания восьми фрагментов выяснилось, что большая их часть вообще не функционировала, а остальные не могли функционировать без сбоев. В общем, пришлось все начинать сначала.

Сперва, ученые взяли бактерию с синтетическим геномом M. mycoides, а затем применили к ней методику под названием «разрушение генома с помощью транспозонов»: транспозон вставляли в случайное место (локус) генома; затем, полученный штамм поместили в чашку с агаровой средой — в результате, в ней появились 80 тысяч бактериальных колоний. Изучение этих колоний дало возможность выявить набор генов, необходимых для существования бактерии (бактерии не могли размножаться даже при малейшем повреждении необходимого гена транспозоном). Другая группа генов получила название «квази-необходимых»; эти гены могли выдерживать разрушение транспозоном лишь частично. Гены третьей группы, которые оказались сильно разрушенными, были признаны несущественными. В итоге, ученые взяли 240 необходимых генов, 229 квази-необходимых, и небольшое количество несущественных генов, которые, как подсказывал здравый смысл, тоже, наверное, для чего-то нужны. Из этого «замеса» ученые сконструировали жизнеспособный геном, который по своим размерам был меньше генома бактерии M. mycoides. После проверки фрагментов бактериального генома («восьмушек», о которых мы говорили выше) выяснилось, что семь из них функционировали прекрасно (правда, в работе последнего — восьмого — фрагмента наблюдались некоторые сбои); тем самым, восьмой фрагмент обозначил нестабильную область ДНК.

Но когда все восемь фрагментов генома были сшиты вместе, результат почему-то оказался неудовлетворительным. Однако, при комбинировании этих фрагментов в другом порядке (четыре «восьмушки» ДНК М. mycoides с четырьмя другими такими же фрагментами), колонии бактерий, как правило, выживали. Изучение комбинаций «восьмушек» позволило ученым выявить те пары генов, которые, действуя сообща, приводили к гибели всего штамма М. mycoides (причем, даже в том случае, когда в аналогичной ситуации выживала его дикая разновидность). С помощью разных методик ученым удалось постепенно уменьшить число генов, создав промежуточный вид, насчитывавший всего 512 генов. В другом опыте с использованием транспозонов было выявлено еще большее число несущественных генов, после удаления которых ученым удалось еще ближе подойти заветной цели — созданию HMG (в данном опыте был получен «минимальный геном», состоявший уже из 473 генов).

Заметим, что функции 149 из 473 генов по сей день неизвестны. Но ситуация прояснится после того, как будет получен минимальный геном, призванный заложить фундамент всей синтетической биологии. Ученым уже удалось приблизиться на один шаг к достижению этой цели: они смогли синтезировать участок ДНК, собрав разрозненные гены с одинаковыми функциями (репарации ДНК, формирования мембран, биосинтеза белка и т. д.) в кластеры. И в этом опыте клетка не погибла — по крайней мере, в лабораторных условиях.

Мировая научная общественность обязательно проявит интерес к синтетическому организму, созданному доктором Вентером. Скорее всего, это синтетическое живое существо не способно конкурировать с бактериями, живущими в естественных условиях, но, с точки зрения биотехнологии, данное его свойство может как раз оказаться преимуществом, поскольку непременно успокоит людей, опасающихся того дня, когда всякие модифицированные микроорганизмы вдруг вырвутся наружу сквозь двери лабораторий и посеют панику.

Принесет ли пользу — как с практической, так и с теоретической точки зрения — организм, обладающий минимальным геномом и синтезированный командой ученых под руководством доктора Вентера? Этого мы пока не знаем. Но один положительный результат уже налицо: в наше непростое время, когда фундаментальная наука, мягко говоря, не столь популярна, деятельность доктора Вентера по прежнему привлекает к себе повышенное внимание.

Оригинал публикации: "What is the smallest number of genes that a living organism can get away with?"Опубликовано 24/03/2016 18:08
http://inosmi.ru/science/20160403/235962438.html