Первый бактериальный геном, полностью созданный на компьютере
В базу данных Национального центра биотехнологической информации США добавлен новый организм: Caulobacter ethensis-2.0. Это первый в мире полностью сгенерированный на компьютере геном живого организма, разработанный учёными ETH Zurich. Важно подчеркнуть: хотя физическая молекула ДНК этого генома уже создана, сам организм пока не существует.
C. ethensis-2.0 основан на геноме безвредной пресноводной бактерии Caulobacter crescentus — модельного организма, часто используемого в лабораториях. Её естественный геном содержит 4000 генов, но для выживания в лабораторных условиях достаточно около 680 (минимальный геном).
Профессор ETH Zurich Бит Кристен и его брат, химик Маттиас Кристен, взяли этот минимальный геном за основу и поставили задачу химически синтезировать его с нуля в виде кольцевой хромосомы. Для сравнения: синтез бактериального генома, представленный пионером генетики Крейгом Вентером 11 лет назад, потребовал 10 лет работы 20 учёных и, по сообщениям, $40 млн.
Рационализация процесса производства
В отличие от команды Вентера, которая создала точную копию природного генома, учёные ETH Zurich радикально изменили последовательность ДНК с помощью компьютерного алгоритма. Цели: упростить производство и ответить на фундаментальные вопросы биологии.
Для создания столь крупной молекулы ДНК учёные синтезировали 236 сегментов генома, которые затем собрали воедино. Процесс осложняется тем, что молекулы ДНК могут слипаться, скручиваться в петли и узлы, что затрудняет или делает невозможным их производство.
Упрощение последовательностей ДНК
Чтобы упростить синтез и сборку, алгоритм радикально упростил последовательность генома, не меняя закодированную в нём информацию на уровне белков. Это возможно благодаря избыточности генетического кода: для многих аминокислот существует два, четыре или более способа записать их информацию в ДНК.
Алгоритм оптимально использовал эту избыточность, вычислив идеальную для синтеза последовательность ДНК. В результате в искусственном минимальном геноме было заменено более одной шестой из всех 800 000 «букв» ДНК по сравнению с природным аналогом.
«С помощью нашего алгоритма мы полностью переписали наш геном в новую последовательность «букв» ДНК, которая больше не напоминает исходную. Однако биологическая функция на уровне белков остаётся прежней», — говорит Бит Кристен.
Лакмусовая бумажка для генетики
Переписанный геном — это также тест на понимание генетики. «Наш метод позволяет выявить возможные пробелы в наших знаниях», — объясняет Бит Кристен. Любая «скрытая» информация в ДНК, ещё не понятая учёными, была бы утрачена в процессе создания нового кода.
Для исследований учёные создали бактериальные штаммы, содержащие как природный геном Caulobacter, так и сегменты нового искусственного генома. Отключая определённые природные гены, они тестировали функции искусственных. В результате оказалось, что только около 580 из 680 искусственных генов были функциональны.
«Имея эти знания, мы сможем улучшить наш алгоритм и разработать полностью функциональный геном версии 3.0», — говорит Бит Кристен.
Огромный потенциал для биотехнологий
Несмотря на неидеальность текущей версии, работа демонстрирует, что биологические системы устроены достаточно просто, чтобы в будущем можно было проектировать их на компьютере и строить согласно целям.
«То, что по методу Крейга Вентера заняло десять лет, наша небольшая группа достигла с нашей новой технологией в течение одного года при стоимости производства 120 000 швейцарских франков», — подчёркивает Бит Кристен.
Учёные верят, что вскоре станет возможным создать функциональные бактериальные клетки с таким геномом. Это открывает огромные перспективы:
- Синтетические микроорганизмы для производства сложных фармацевтических молекул или витаминов.
- Универсальная технология, применимая ко всем микроорганизмам.
- Производство ДНК-вакцин.
«Столь многообещающие результаты требуют глубокого обсуждения в обществе: для каких целей можно использовать эту технологию и как предотвратить её злоупотребление», — говорит Бит Кристен.
Пока неясно, когда будет создана первая бактерия с искусственным геномом, но теперь ясно, что это возможно и будет сделано. Учёные готовы внести свой вклад в эту дискуссию.