Минимум необходимого

Как скоро мы научимся программировать живые организмы «с нуля»

C. Bickel/Science (2016)

Недавно одиозный генетик Крейг Вентер и его коллеги заявили, что смогли смоделировать, синтезировать и заставить работать в живой клетке геном минимально возможной длины. Пора ли уже говорить, что ученые вплотную подошли к созданию синтетической жизни?

Самый маленький геном

Сам Вентер, считает, что его работа по созданию искусственной жизни началась 20 лет назад, когда в 1995 году он и его коллеги впервые целиком расшифровали геном живого существа — бактерии гемофильной палочки. В том же году исследователи «расправились» с ДНК бактерии Mycoplasma genitalium. У нее самый короткий геном среди всех живых организмов, потому что микоплазма ведет паразитический образ жизни в клетках приматов и для получения питательных веществ ей не нужны собственные сложные механизмы, а значит, и кодирующие их гены. Тогда Вентеру и его коллегам пришла в голову идея попытаться получить минимально необходимый геном и посмотреть, много ли генов нужно простейшей клетке для жизни.

В 2010 году они смогли целиком синтезировать геном другого вида микоплазм — Mycoplasma mycoides — с 901 геном. Из него путем «вырезания» генов, без которых клетка могла жить, ученые смогли получить минимальный геном. Он включает всего 473 гена — в два раза меньше, чем «исходный» вариант. Что самое удивительное, функции примерно трети из этих совершенно необходимых микоплазме для жизни генов неизвестны науке.

Сам Вентер полагает, что его разработки помогут в скором времени делать необходимые микроорганизмы «на заказ», добавляя к «болванкам» в виде минимальных генетических последовательностей нужные функции. Правда ли, что генетики скоро научатся программировать живые организмы с нуля и зачем все это нужно, объясняет Александр Манолов, сотрудник лаборатории биоинформатики ФНКЦ физико-химической медицины.

— Зачем нужно определять минимальный геном?

— Поиск минимального генома помогает оценить важность каждого отдельного гена для самых базовых процессов в клетке — роста и деления, а также определить случаи избыточности, когда одна и та же функция дублируется различными генами. То есть одна из задач — это углубление знаний о функциях конкретных генов.

Если думать о живой клетке как о компьютере, а о геноме — как об исходных кодах программ, то можно переформулировать идею Вентера так: нужно отделить операционную систему (или ядро операционной системы) от вспомогательных утилит. Тут проявляется еще одна вероятная польза знаний о минимальном геноме: чем короче исходники, тем больше шансов в них разобраться.

Если смотреть дальше, то работы по созданию искусственных геномов и искусственных живых клеток — это шаги на пути к пониманию отличий живого от неживого. И мы, кажется, только в начале этого пути.

— Почему же в начале? У Вентера клетки уже благополучно живут...

— Бактерии — наиболее простые живые создания. Но даже в них понять и смоделировать происходящие процессы — дело пока непосильное. Мы знаем, какие функции у продуктов отдельных генов: часть из них участвует в создании структуры клеток, часть нужна, чтобы проводить химические реакции, которые обеспечивают клетку энергией и строительными блоками. Некоторые гены нужны не для кодирования белков, а для регуляции — включения и выключения других генов. Сложнее всего понять, как совокупность отдельных функций дает устойчивую живую систему, которая способна поддерживать свое живое состояние вопреки воздействиям извне и случайности (за счет броуновского движения молекул внутри клетки) происходящих в ней процессов. О том, что представления о работе клетки у нас еще неполны, говорит и история попыток создания минимального генома группой Вентера.

— Как они решали эту задачу?

— При первых попытках создать искусственный геном минимального размера они исходили из знаний о роли отдельных генов и представлений о процессах, которые благодаря им могут протекать в живой клетке. Последовательность генов синтезировалась «вручную» на основе расшифрованного генома бактерии Mycoplasma mycoides. После того как геном был синтезирован, его поместили в клетку, из которой ее родной геном удалили. Получившаяся клетка изначально оказалась нежизнеспособна: деления и роста не наблюдалось. Несколько этапов экспериментальной работы понадобилось для того, чтобы подобрать набор генов и регуляторных участков генома, которые позволяют клетке расти и делиться. Для этого ученые проводили эксперименты по искусственному мутагенезу транспозонами.

— Что такое транспозоны?

— Транспозоны — это «прыгающие» последовательности в геноме, которые устроены так, что способны сами себя вырезать и вставлять в другое место. Место, куда вставляется транспозон, более или менее случайно. Встраиваясь в ген, транспозон «ломает» его, то есть с гена перестает синтезироваться белок. В норме «прыжки» транспозонов происходят довольно редко и чаще в стрессовых условиях. Можно на время искусственно активировать транспозоны в клетках и затем понаблюдать, какие из клеток выжили. В таких клетках транспозоны окажутся встроенными в некритичные для жизни участки, а клетки с транспозонами в важных генах погибнут. Подобным методом можно искать гены, которые необходимы для жизни или поломка которых сильно замедляет рост клеток. Эту информацию и использовал Вентер, чтобы создать текущую версию минимального генома.

При этом сохранялись не только важные гены, но и находящиеся с ними регуляторные участки, поскольку иметь только набор генов недостаточно — нужно еще обеспечить согласованную их работу. В итоге было получено некоторое приближение (на данный момент наилучшее, но, скорее всего, не финальное) к минимальному геному, дающему клетке способность плодиться и размножаться в «раю» — богатой среде, содержащей все необходимые вещества в готовом для употребления виде.

— То есть их минимальный геном можно еще «ужать»?

— Хотя получившийся геном существенно меньше исходного: 531 тысяча «букв» вместо 1079 изначальных, он не намного меньше, чем «натуральный» геном другого вида микоплазм — успешного патогена людей — Mycoplasma genitalium, размер которого — 577 тысяч «букв». Впрочем, наиболее важна тут не сама «рекордная» последовательность, а та информация, которая была получена в ходе его создания: уточнены функции отдельных генов, показана несостоятельность попыток решить задачу создания генома «в лоб», например взяв в качестве минимального генома просто набор генов, который есть у всех бактерий.

— Можно ли сказать, что в результате создана синтетическая жизнь?

— Нет. Принципы происхождения живого от живого и клеток от других клеток пока еще не были нарушены и представляются весьма крепким орешком как в силу чисто технических сложностей, так и в силу недостаточности наших знаний о сущности составляющих жизнь процессов.
Теги:

Читать еще на Чердаке: