Минимальная микробная клетка

На Земле существует примерно один триллион квинтиллионов микробных клеток — больше, чем звёзд в известной нам Вселенной!

Микробы не только многочисленны, но и невероятно разнообразны, населяя экстремальные среды, где больше почти ничто не выживает: у гидротермальных источников на дне океана или в почти кипящих кислотных бассейнах. Они также выполняют множество полезных функций, например, восстанавливают уран для его удаления из грунтовых вод и расщепляют сложные полисахариды, чтобы мы могли переваривать пищу.

Микробы — наши тайные спутники, играющие молчаливые, но ключевые роли в глобальных биогеохимических циклах, болезнях животных и человека, производстве топлива, биоремедиации, пищевых цепях и сельском хозяйстве. Многие микробы обитают внутри каждого из нас. Мы начинаем понимать, что они не просто живут в нашем кишечнике, помогая пищеварению; они сосуществовали с нами в симбиозе в ходе совместной эволюции. Известно, что кишечные микробы влияют на развитие мозга, функции иммунной системы и печени, а также на поведение взрослых особей.

Для изучения этих микробов и сложных сообществ, которые они образуют в окружающей среде, Аргоннская национальная лаборатория и три другие национальные лаборатории (Лоуренса Беркли, Брукхейвенская и Ок-Риджская) совместно создают исследовательский инструмент под названием Systems Biology Knowledgebase, или «KBase». Системная биология изучает сложные взаимодействия в биологических системах, например, между ферментами в метаболическом пути. Исследование этих взаимодействий связано с огромными объёмами взаимосвязанных данных разных типов. В настоящее время эти данные сложно объединить: они существуют в разных форматах в несвязанных базах данных, ассоциированных с различными исследовательскими инструментами. KBase призван изменить это, но его цель шире, чем интеграция данных. Команда стремится продвинуть исследования в двух важных областях: растения и микробы.

Исследования микробов лежат в основе многих интересных направлений работы в Аргоннской лаборатории. Одни исследования ищут полезные функции, которые можно использовать на благо человека; другие сосредоточены на идентификации биологических «машин», которые управляют процессами жизни отдельной клетки, с конечной целью «перепрошить» клетку для выполнения полезной задачи.

Биологи часто учатся, устраняя часть клеточных механизмов и наблюдая за реакцией системы. Аргоннская лаборатория доводит этот подход до крайности в попытке синтезировать «минимальную клетку» — клетку, содержащую только те биологические механизмы, которые необходимы для выживания.

Подход к созданию минимальной клетки

Первый шаг — собрать всё, что нам известно о геномах существующих микробов. Аргоннская лаборатория, Фонд интерпретации геномов (Fellowship for Interpretation of Genomes) и Чикагский университет разработали и поддерживают базу данных, которая является частью ресурса под названием The SEED. Этот ресурс собирает все известные функции различных генов. Учёные используют другой инструмент — ModelSEED — чтобы показать, как гены и белки с известными функциями взаимодействуют для выполнения всех задач, необходимых клетке. Затем они используют модель, чтобы предположить, чего не хватает, и заполнить пробелы, применяя знания об эволюционных взаимосвязях для присвоения вероятных функций неопознанным генам.

Исследователям также необходима лабораторная работа для проверки результатов, полученных in silico (на компьютере). Учёные Аргоннской лаборатории начинают с реального микроба, найденного в природе; в данном случае это Bacillus subtilis, распространённая почвенная бактерия. Методом проб и ошибок они нокаутируют (KO) различные гены и проверяют, может ли клетка ещё расти в чашке Петри. Если микроб растёт, несмотря на мутацию KO, этот ген можно пометить как не жизненно важный для выживания.

Это простой подход, но его реализация может быть очень сложной. Представьте себе автомобиль. Если бы учёные Аргоннской лаборатории применили свой метод изучения клеток к пониманию того, как работает автомобиль, они сначала попытались бы построить «минимальный автомобиль», а дополнительные функции добавили бы позже.

Они начали бы с целого полностью укомплектованного, функционирующего автомобиля, затем случайным образом удаляли бы деталь и определяли, работает ли автомобиль по-прежнему. Если удалённая деталь не мешала автомобилю ехать и перевозить пассажиров, учёные сказали бы, что эта деталь не является обязательной. Когда возможно, они записывали бы роль, которую выполняла эта деталь, и продолжали бы случайным образом, пока каждая отдельная деталь автомобиля не была бы удалена и протестирована.

Сложности метода

Однако, как можно догадаться, эта техника не всегда прямолинейна. Некоторые детали взаимодействуют друг с другом или исключают друг друга. Некоторые детали хотя бы частично избыточны. Например, что, если убрать только одно колесо? Автомобиль, возможно, ещё будет двигаться, хотя и не очень хорошо. Но если убрать ось, даже если колёса в полной сохранности, автомобиль не сможет двигаться. Гены также часто взаимосвязаны таким образом, поэтому исследователи должны отслеживать их зависимости и взаимодействия.

Окружающая среда также имеет значение. Когда вы разбираете автомобиль до его самой базовой версии, результат может оказаться не очень надёжным транспортным средством. Количество функций, которые можно убрать, зависит от того, где он предназначен для движения. Например, нужно ли, чтобы автомобиль ездил только по очень гладкой и ровной дороге? Если да, то, вероятно, можно безопасно выбросить много несущественных деталей. Но если вы ожидаете езды в гору по бездорожью, вам, возможно, не захочется выбрасывать амортизаторы.

Точно так же важна среда обитания клетки. Из клетки можно убрать больше, если она предназначена для дружественной среды, уже снабжённой питательными веществами в готовой к употреблению форме. Но клетка, помещённая в бедную питательными веществами чашку Петри, будет нуждаться в некотором метаболическом оборудовании, чтобы иметь возможность питаться самостоятельно.

Значение исследований

Разбор клетки до минимальных необходимых компонентов и распутывание взаимосвязей между генами, путями, белками и фенотипом необходимы для понимания того, как работают клетки, для возможности моделировать клетки и в конечном итоге перепроектировать их, чтобы помочь решить критические проблемы. Чем больше мы обнаруживаем, что наша жизнь связана с жизнью разнообразных микробов вокруг нас, тем важнее становится их понимать.

Создание минимальной клетки и обмен этими данными в научном сообществе ускорят поиск решений для всего — от энергетики до болезней человека и животных. Интегрируя и анализируя данные такого типа, KBase позволит исследователям более эффективно планировать и интерпретировать свои эксперименты, а также быстро делиться этими результатами и их интерпретациями. В будущем мы надеемся, что новые функции позволят пользователям визуализировать данные, создавать модели и планировать эксперименты на основе предложений KBase, чтобы сосредоточиться на самой критически важной работе.