Впервые ученые смогли создать жизнеспособную клетку с искусственным геномом в 2010 году. Этот организм назвали JCVI-syn1.0 (также известен как Mycoplasma laboratorium) и он стал отправной точкой для последующих манипуляций. Цель специалистов из Института геномики Дж. Крэйга Вентера (J. Craig Venter Institute) и их коллег из других подобных учреждений — найти минимальный размер ДНК, необходимой для поддержания жизни.
В качестве исходного материала использовалась бактерия Mycoplasma genitalium, один из основных кандидатов в возбудители воспаления мочеполовых путей у людей. Она интересна для ученых тем, что обладает самым маленьким геномом среди живых организмов, которые удалось вырастить в лаборатории (не считая вирусов, но они не реплицируются вне клетки-хозяина) — 580000 пар оснований или 482 гена.
После долгой работы и серии экспериментов по синтезу генетического материала и переносу его из реактора в заранее «очищенные» от ДНК клетки, ученые смогли найти необходимый для жизни полусинтетических микоплазм минимум — 382 гена. К моменту появления JCVI-syn3.0 удалось научить эти клетки полноценно функционировать и даже худо-бедно делиться. Но продукт такого размножения был плачевным: в результате него получались бактерии не поддерживающие шарообразную форму. Из-за этого они не могли нормально продолжать жизнедеятельность.
Аномально делящиеся клетки штамма JCVI-syn3.0 / ©Lijie Sun, J. Craig Venter Institute
Новая работа, опубликованная в рецензируемом журнале Cell, показывает, что теперь ученым удалось преодолеть и эту трудность. В создании очередного штамма Mycoplasma laboratorium — JCVI-syn3A, — специалистам из Института Дж. Крэйга Вентера помогали коллеги из Массачусетского технологического института (MIT) и Национального института стандартов и технологий США (NIST). Причем именно последняя команда разработала ключевую технологию, необходимую для контроля за популяцией полусинтетических микоплазм.
Дело в том, что бактерии этого рода не имеют клеточной стенки, а также очень хрупкие и мелкие. Проводить какие-либо манипуляции с ними, не повреждая при этом нежные организмы, довольно трудно. Поэтому инженеры NIST создали специализированные миниатюрные прозрачные хемостаты — биореакторы с непрерывной циркуляцией питательной среды. Благодаря этому получилось выращивать JCVI-syn3A, проводить с ними все необходимые процедуры и легко наблюдать за делением в мощный оптический микроскоп (микоплазмы еще и очень мелкие — в сотни раз меньше кишечной палочки).
Чтобы JCVI-syn3A делился корректно и в результате получались правильные шарообразные бактерии, этому штамму вернули 19 генов, которые ранее отсекли от ДНК JCVI-syn3.0. Семь из них в ходе экспериментов определили, как необходимые для размножения. Что интересно, функции только двух этих критически важных комбинаций нуклеотидов до конца ясны ученым. Что конкретно делают еще пять — предстоит установить позднее, в текущей научной работе цель стояла иная.
Создание полноценного микроорганизма с искусственным геномом минимально возможного размера позволит выполнить заветную мечту многих биологов: конструировать живые инструменты. Добавляя или удаляя фрагменты ДНК с известными функциями ученые смогут буквально программировать бактерии на любые цели. Перспективы огромны: производство медикаментов и конкретных химических веществ, в том числе переработка отходов, адресная доставка лекарств в организм человека, биосенсоры и биокомпьютеры — иными словами, на что только хватит воображения.
©James F. Pelletier et. al., Genetic requirements for cell division in a genomically minimal cell, Cell, March 29, 2021 https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.008
Несмотря на впечатляющий прогресс, впереди у специалистов по геномике работы еще невпроворот. Как хорошо видно, если оценивать эффективность экспериментов по длине ДНК, то в своих изысканиях они только подобрались к достижениям эволюции. Судите сами: Mycoplasma genitalium — 482 гена, JCVI-syn1.0 — 901 ген (около миллиона пар оснований), JCVI-syn3.0 — 473 гена, а JCVI-syn3A — 480. Правда, не стоит забывать, что в синтетической ДНК специально были добавлены фрагменты, позволяющие однозначно отличить искусственный штамм от «дикого» и делающие его не заразным. Прогресс есть и он впечатляет, особенно учитывая огромный багаж полученных знаний о генетике микроорганизмов.
