Ученые создали простую синтетическую клетку, которая нормально растет и делится
Пять лет назад ученые создали одноклеточный синтетический организм с всего 473 генами — простейшую живую клетку из известных. Однако эта бактериеподобная клетка вела себя странно при росте и делении, производя клетки сильно разной формы и размера.
Теперь ученые определили семь генов, добавление которых "усмиряет" клетки, заставляя их аккуратно делиться на однородные сферы. Эта работа, выполненная совместно Институтом Дж. Крейга Вентера (JCVI), Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) и Центром битов и атомов MIT, описана в журнале Cell.
Определение этих генов — важный шаг к созданию синтетических клеток, выполняющих полезные функции. Такие клетки могли бы стать мини-фабриками для производства лекарств, продуктов и топлива; детекторами болезней и производителями лекарств внутри тела; или крошечными компьютерами.
Но чтобы спроектировать клетку, которая делает именно то, что нужно, необходим список основных "деталей" и понимание их взаимодействия.
"Мы хотим понять фундаментальные правила дизайна жизни", — сказала соавтор исследования Элизабет Стричальски, руководитель группы клеточной инженерии NIST.
Ученые JCVI создали первую клетку с синтетическим геномом в 2010 году (JCVI-syn1.0). Они начали с клеток простой бактерии микоплазмы, уничтожили их ДНК и заменили её на ДНК, спроектированную на компьютере и синтезированную в лаборатории.
Затем ученые работали над сокращением организма до минимального генетического набора. Созданная пять лет назад сверхпростая клетка JCVI-syn3.0 оказалась, возможно, слишком минималистичной. Исследователи добавили обратно 19 генов, включая семь необходимых для нормального деления, создав новый вариант — JCVI-syn3A. В этом варианте меньше 500 генов. Для сравнения: бактерия E. coli имеет около 4000 генов, а человеческая клетка — около 30 000.
Определение этих семи дополнительных генов потребовало многолетней кропотливой работы группы синтетической биологии JCVI под руководством соавтора Джона Гласса. Соавтор и ученый JCVI Лицзе Сун создала десятки вариантов штаммов, систематически добавляя и удаляя гены. Затем исследователи наблюдали, как эти генетические изменения влияют на рост и деление клеток.
Роль NIST заключалась в измерении происходящих изменений под микроскопом. Это было сложно, потому что клетки должны были оставаться живыми. Наблюдение за мертвыми клетками под мощным микроскопом относительно легко, а за живыми — гораздо сложнее.
Удержать эти клетки на месте под микроскопом было особенно трудно, так как они очень малы и хрупки. Сто таких клеток поместились бы внутри одной бактерии E. coli. Крошечные силы могут разорвать их.
Чтобы решить эту проблему, Стричальски и соавторы из MIT спроектировали микрофлюидный хемостат — своего рода мини-аквариум, где клетки могли оставаться сытыми и в хорошем состоянии под световым микроскопом. Результатом стало покадровое видео, показывающее рост и деление синтетических клеток.
Одно видео показывает клетки JCVI-syn3.0 (созданные пять лет назад), делящиеся на разные формы и размеры. Некоторые клетки образуют нити. Другие, кажется, не полностью отделяются и выстраиваются, как бусы на нитке. Несмотря на разнообразие, все клетки на этом видео генетически идентичны.
Другое видео показывает новые клетки JCVI-Syn3A, делящиеся на клетки более однородной формы и размера.
Эти видео позволили исследователям наблюдать, как их генетические манипуляции влияют на рост и деление клеток. Если удаление гена нарушало нормальный процесс, они возвращали его и пробовали другой.
"Наша цель — знать функцию каждого гена, чтобы разработать полную модель работы клетки", — сказал Джеймс Пеллетье.
Но эта цель еще не достигнута. Из семи генов, добавленных этому организму для нормального деления, ученые знают функцию только двух. Роль остальных пяти генов в делении клеток пока неизвестна.
"Жизнь все еще остается черным ящиком", — сказала Стричальски. Но с помощью этой упрощенной синтетической клетки ученые получают хорошую возможность заглянуть внутрь.