Минимальный геном и новая биология

Американские исследователи впервые сконструировали «в пробирке» полный геном бактерии и внедрили его в оболочку бактерии другого вида, получив при этом полноценную живую клетку, способную к размножению. Теперь на очереди – создание жизнеспособного организма с минимальным набором генов. Этому достижению посвящены две статьи в журнале «Наука и жизнь» №11-2010

Синтетическая геномика: в полушаге от «элемента жизни»
Ольга Белоконева 

То, что я не могу создать,
Я не в силах понять.
Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии по физике

Обычно химики, изучающие природные соединения, в своей деятельности руководствуются следующей логикой: сначала находят новое вещество в природе, затем определяют его функции и структуру и в конце концов пытаются синтезировать это соединение в лаборатории, чтобы сравнить свойства природного соединения и его синтетического аналога. Только так можно доказать, что вещество данной химической структуры обладает определёнными свойствами. Но в генетических манипуляциях такой подход долгое время не работал – структура ДНК была уже известна, но обратную задачу не удавалось решить никому.

Бизнес, творящий науку

Ветеран вьетнамской кампании американец Крейг Вентер занимался биохимией, получил учёную степень, но надолго в лабораторных стенах не задержался. Молодого исследователя привлекал бизнес. В 1998 году он принял участие в создании биотехнологической компании Celera Genomics. На момент создания компании уже вовсю шла работа по расшифровке генома живых существ, в том числе и человека. Но прогресс был невелик из-за несовершенства технологии секвенирования (определения нуклеотидной последовательности) ДНК. В составе команды исследователей Вентер принял участие в разработке новейшего метода секвенирования – метода «дробовика» (shotgun). С помощью этого метода уже через два года геном человека был расшифрован полностью. Вентер хотел продавать результаты исследования компании, но научное сообщество выразило недовольство, и ему пришлось уступить. Он выложил все результаты расшифровки генома в интернете и ушёл из Celera Genomics, создав новый институт имени самого себя.

Одним из пионерских начинаний института Крейга Вентера в 2000-е годы стали так называемые метагеномные проекты. Экспедиции, организованные институтом, проводили популяционный анализ генома различных организмов, живущих в Саргассовом и других морях. Используя геномные технологии, сотрудникам удалось описать генетическое разнообразие подводного царства, открыв при этом тысячи новых генов и новых видов живых существ.

Теперь, когда химическая структура многих сложных геномов была известна, по логике, надо было заняться синтезом искусственного генома, что и сделал Вентер. Другой идеей Вентера стало создание жизнеспособного организма с минимальным набором генов. Такую генетическую единицу вполне можно было бы назвать «элементом жизни» – «минимальной» клеткой. По аналогии в химии такой же простейшей единицей является атом водорода.

«Минимальной» клетки пока не существует, а организм с синтетическим геномом уже живёт и размножается в лаборатории Института Крейга Вентера. Это обыкновенная бактерия, которая отличается от прочих только тем, что её ДНК синтезирована «в пробирке».

Международная команда исследователей, создавших синтетическую жизнь

От начала работ до исторической публикации в мае 2010 года в журнале «Science» под названием «Создание бактериальной клетки, которая контролируется химически синтезированным геномом» прошло долгих 15 лет, и обошёлся проект в 40 миллионов долларов. Этому крупному научному достижению предшествовал другой успех – в 2003 году команде Вентера удалось создать вирус с искусственным геномом.

Международной командой успешных исследователей двух отделений института – в Роквилле (штат Мериленд) и в Ла Йолла (штат Калифорния) – помимо Вентера (на снимке слева) руководят два других выдающихся учёных. Один из них – нобелевский лауреат 1978 года Гамильтон Смит (справа). Нобелевскую премию он получил за открытие, которое положило начало эпохе химических манипуляций с геномом: он выделил рестриктазы – ферменты, разрезающие молекулу ДНК на отдельные фрагменты. Другой руководитель работ – выдающийся микробиолог, представитель известной научной династии Клайд Хатчисон III.

Синтетическая ДНК, состоящая из 1,08 миллиона нуклеотидов, стала самой длинной молекулой, синтезированной когда-либо в лабораторных условиях. Первая в истории синтетическая клетка содержит полностью искусственную хромосому, синтезированную из химических компонентов по компьютерной программе. Это уже не технологии генетической инженерии, когда учёным удавалось изменить или дополнить геном живых существ несколькими генами или набором генов, это – полная пересадка всего генома.

Трансплантация геномов

Эксперимент по созданию искусственной жизни заключался в следующем: учёные синтезировали геном одной бактерии и внедрили его в клетку бактерии другого вида. Полученный организм с оболочкой бактерии-реципиента Mycoplasma capricolum оказался идентичным бактерии-донору – Mycoplasma mycoides. Так впервые достоверно было показано, что ДНК действительно содержит полную информацию о работе всей живой клетки.

Полученные гибриды выглядели, росли и размножались так же, как Mycoplasma mycoides. Ещё один немаловажный признак того, что это была именно Mycoplasma mycoides, – сконструированная бактерия синтезировала белки, свойственные именно этому виду. Правда, от природной синтетическая бактерия всё-таки отличается. Жить и размножаться она может пока только в лаборатории, в специальной питательной среде, в природных условиях бактерия нежизнеспособна.

Микоплазмы – довольно обширная (около 180 видов) группа паразитических бактерий, вызывающих всевозможные болезни у растений, животных и человека. Они обладают рядом свойств, которые делают их удобным объектом для подобных исследований. В отличие от подавляющего большинства других бактерий с маленькими геномами, микоплазмы могут жить вне клеток хозяина, поэтому их можно выращивать в лаборатории. Правда, микоплазмы постоянно нуждаются в интенсивном питании, поскольку у них отсутствуют гены, необходимые для синтеза многих жизненно важных веществ. Наконец, клетки микоплазм не имеют ядра, их генетический материал распределён в цитоплазме. Они окружены лишь тонкой и эластичной плазматической мембраной, через которую довольно легко внедрить компоненты чужеродного генома.

Бактерия-паразит Mycoplasma mycoides была выбрана в качестве донора прежде всего из-за того, что у неё очень маленький геном – порядка миллиона нуклеотидов (для сравнения, в геноме человека их 3 миллиарда). Но и такой «короткий» геном получить непросто, поэтому ДНК синтезировали по частям, которые потом соединили вместе. Молекулярный конструктор собирали в клетках кишечной палочки – E.coli, а затем в клетках дрожжей. И только после этого синтетическую ДНК ввели в клетку Mycoplasma capricolum.

Часто спрашивают, почему нельзя было поместить искусственный геном внутрь собственной клетки? Потому что внутри этой клетки оставались характерные для неё белки, а значит, результаты эксперимента можно было бы объяснить их наличием. То есть появилась бы неопределённость в интерпретации результата.

Зачем нужны синтетические бактерии?

Реакция на исследования в научном сообществе неоднозначна. Многие считают, что о практическом применении технологии говорить преждевременно: одно дело – программировать безъядерные бактерии-прокариоты, а совсем другое – создавать искусственные хромосомы ядерных клеток эукариотов, то есть клеток всех растений, животных и человека. При адаптации технологии к ядерным клеткам возникает слишком много вопросов: как перенести ДНК в ядро, как создать и трансплантировать неядерную генетическую информацию и т.д.

Тем не менее Вентер считает, что выполненные исследования важны для фундаментальной науки, поскольку открывают новые перспективы в изучении происхождения жизни и поиске ответа на вопрос, какие гены отвечают за жизнь и размножение живого существа.

Работа Вентера сулит перспективы создания организмов с полностью заданными свойствами и функциями. Правда, это дело довольно отдалённого будущего. Пока учёным удалось «лишь» реализовать генетическую программу, уже существующую в природе. Но всё же перспективы синтетической геномики огромны. Ведь так заманчиво – меняя генетическую программу по своему усмотрению, создавать синтетические бактерии-фабрики, способные производить лекарства, питательные белковые вещества, биотопливо, очищать воду от загрязняющих веществ и многое-многое другое.

После успешного создания первого искусственного организма команда Вентера, да и не только она, сконцентрировала усилия на осуществлении другого проекта, логически вытекающего из этого достижения. Речь идёт о создании клетки, содержащей только гены, необходимые для поддержания жизни в её простейшей форме, то есть «минимальный» геном.

Элемент жизни

Определение «минимального» генома, обеспечивающего все необходимые функции, которые позволяют одноклеточному организму существовать в определённой среде, – не праздный вопрос. Решение этой проблемы необходимо для понимания происхождения жизни на Земле, что включает в себя изучение путей генетической эволюции и механизма происхождения геномов как таковых. Кроме того, «минимальная» клетка станет базисом для изучения всех генов, необходимых для жизнедеятельности.

Работы в этом направлении ведутся в основном с бактериями рода Mycoplasma. Геномы микоплазм, как уже говорилось, очень малы (от 580 до 1400 тысяч пар оснований) и хорошо изучены. Самый-самый короткий геном у Mycoplasma genitalium. Его длина – около 580 тысяч пар оснований, которые составляют 485 генов.

Предлагаемый гипотетический минимальный набор генов (по последним расчётам группы Вентера – от 310 до 388 генов) должен включать следующие жизненно важные генетические системы микроорганизмов, среди которых: гены трансляции, репликации, репарации, транскрипции; гены, контролирующие анаэробный метаболизм; гены биосинтеза липидов; гены системы транспорта белков; набор генов, обеспечивающих транспорт метаболитов; полный набор генов утилизации нуклеотидов и гены их биосинтеза. Гены биосинтеза аминокислот микроорганизмам-паразитам не нужны.

Изучая геномы микоплазм, Крейг Вентер и его коллеги очень близко подошли к пониманию того, что должен представлять собой «минимальный» геном будущих искусственных микробов. Как заявлено в уже поданном ими патенте, «минимальный» геном – основной строительный блок или, точнее, основное «шасси» для создания искусственных организмов – состоит менее чем из 400 генов. Внедряя «минимальный» геном в клетку и добавляя к ней другие гены, исследователи намереваются создавать простейшие организмы с новыми, заданными наперёд свойствами.

«Минимальная» клетка и смена парадигмы в биологии
Д.б.н. Вадим Говорун. Записала Ольга Белоконева.

В июне 2010 года в Санкт-Петербурге состоялась 5-я международная конференция «Геномика, протеомика, биоинформатика и нанобиотехнология для медицины». На конференции с основными пленарными докладами выступили известный российский учёный Вадим Говорун (слева) и один из руководителей группы синтетической биологии Института Крейга Вентера Клайд Хатчисон III (справа). Хатчисон считает, что все биохимические и молекулярные процессы в живой клетке можно описать с точки зрения законов физики и химии. Также учёный уверен в возможности создания универсального «минимального элемента жизни», подобного атому водорода. Точка зрения Говоруна отличается от мнения Хатчисона.

В личной беседе с корреспондентом «Науки и жизни», рассуждая о возможности создания «минимальной» клетки, он оперирует понятиями почти философскими, мировоззренческими.

Краткая справка
Говорун Вадим Маркович, доктор биологических наук, профессор, президент компании «Литех», заместитель директора по науке и заведующий отделом молекулярной биологии и генетики НИИ физико-химической медицины ФМБА России (Москва). Окончил медико-биологический факультет РГМУ.
Одно из направлений научной деятельности отдела, руководимого Вадимом Говоруном, – разработка платформы для получения полного «белкового портрета» (протеома) микроорганизмов с самым маленьким геномом (микоплазмы, хламидии и хеликобактер), а также определение минимального набора генов, достаточных для жизнедеятельности этих бактерий. (Подробнее о компании «Литех» и ее президенте см. в статье «Вадим Говорун: "Моя задача – поддерживать огонь"» – ВМ.)

Что такое «минимальный» геном – вопрос довольно сложный, ведь под его расшифровкой каждый понимает своё. До 2002 года под секвенированием генома понималась некая стройная система усилий и методов, которые позволяли если не до конца, то в 80–90% (в случае с геномом человека) получить слитные протяжённые участки ДНК. Но нуклеотидная последовательность – это ведь не алфавит, это книга. И если вы плохо читаете, то, даже дочитав до конца, можете не понять смысл книги.

В геномике происходит то же самое, но только сложнее. Все, кто умеет читать, воспринимают осмысленные слова. Изначально в геноме есть небольшие фрагменты, есть «общие слова», есть даже «обороты речи», но это не значит, что они все осмысленные. На самом деле геном – это многомерная структура...

Под «минимальной» клеткой мы понимаем следующее. Берём какие-то большие фрагменты генетического материала, иногда даже из разных источников, близких или не очень близких, и смотрим, как эта конструкция себя ведёт...

К жизни приводит не эволюция, а микроэволюция. Когда-нибудь появятся внутриклеточные нанороботы, но они не будут работать с большой точностью. Сначала они создадут какой-то прототип, информационную форму, и этому прототипу будет дано приблизиться к нужным характеристикам путём собственной микроэволюции.

Самосборка – это свойство атомов и молекул. Они способны к самоассамблированию, самораспознаванию. Поэтому, когда мы подходим к моделированию жизни, то приходим к такому интересному вопросу: возникнет жизнь сразу или вследствие микроэволюции? Ответ неоднозначен...

Минимальный концепт – это, по сути, попытка выйти на новый уровень изучения жизни. Что касается наших знаний о живой материи, мы пока имеем чёрный ящик. Поведение живой системы не аддитивно – оно не есть результат простого сложения действия её частей.

Гонка в этой области только началась. Когда учёные начнут манипулировать фрагментами жизни безопасно для себя и окружающих, будет прорыв. Последние 25 лет в биологии – стагнация, научная мысль идёт путём накопления, выявления и анализа данных. Смены парадигмы не происходит. Сейчас впервые в истории человечества появляется возможность воплощать свои представления о живой клетке. Компьютерное моделирование – вот что появляется в конструировании жизни...

Человечество столетиями шло к доказательству того, что жизнь моновариантна, то есть только одна комбинация генов и белков вдыхает в клетку жизнь. По моему представлению, жизнь инвариантна. Самое тяжёлое – понять, что жизнь возникает по-разному, вне определённых химических реакций...

На самом деле современная биология как наука, куда пришло очень много разных методов, является мультидисциплинарной, и, следовательно, биологическое мышление представляет собой такой набор «шумовых эффектов», что очень сложно выбрать нужное направление. Это только кажется, что с помощью повторения экспериментов, статистики можно что-то просчитать в науке о жизни. Минимальный концепт – это действительно смена парадигмы, мышления людей, которые занимаются биологией, но в каком-то смысле, как ни парадоксально, это – возвращение к старым биологическим традициям.

Живое – не синтетический комплекс, состоящий из белковых молекул. А что же это на самом деле, учёные и хотят выяснить.

Например, вирус не является живым. Он маленький и способен к самосборке. Но вы никогда не сможете слить в одной пробирке рибосомальные белки, ДНК, ферменты, липиды и т.д. и собрать из них бактерию, пусть даже очень маленькую. Поэтому живую клетку надо собирать блоками. Исследование блоков – не самоцель, целью является создание блоков по произвольному желанию. И, постепенно понимая, как эти блоки будут действовать, находить методы их сборки. Вот тогда это будет действительно искусственная жизнь.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
07.12.2010