Ученые давно задаются вопросом: могут ли они создать полноценную синтетическую форму жизни? Биологом Энтони Хосе была ведена концепция клеточного кода, знание которого необходимо для получения искусственного организма.
В настоящее время исследователи лишь начали получать искусственные формы жизни, заново собирая геномы одноклеточных микроорганизмов. В частности, в марте прошлого года в одном из специализированных изданий появилась статья, в которой ученые описали процесс создания бактерии микоплазмы, обладающей минимально возможным числом генов. Чтобы получить необходимый результат, ученые поочередно встраивали в клетку-получатель с разрушенной ДНК фрагменты измененного генома, который почти в два раза был меньше оригинального.
В текущем году американским исследователям из Университета Джонса Хопкинса удалось получить дрожжи с искусственными хромосомами, из которых убрали бесполезные и дефектные гены. Помимо этого, ученым удалось взломать генетический код, изменив триплеты белков TAG на TAA. За счет этого организмы избавились от лишнего фрагмента, который обслуживал кодоны TAG.
Если часть исследователей предпринимает попытки создать одноклеточные, свободные от генетического мусора, то в то же время другие ученые пытаются внести изменения в способ кодирования белков последовательностью ДНК. На данный момент в этом направлении успехи более чем скромные. То немногое, что удалось сделать, — это разнообразить ДНК- алфавит. Было добавлено несколько букв к четырем уже имеющимся буквам-нуклеотидам. В одной из научных статей говорится о том, как международной группе исследователей удалось вставить в геном кишечной палочки искусственные нуклеотиды Y, X. Несмотря на то, что нечто подобное делалось ранее, исследователям удалось добиться того, что бактерии сохраняли в своей ДНК синтетическую часть, но при этом успешно развивались.
Впрочем, это всего лишь первый шаг на пути к полноценному искусственному организму. На следующем этапе ученые намерены заставить искусственные нуклеотиды кодировать аминокислоты. В кишечной палочке синтетические белки Y, X помещались в безопасной части генома, за пределами кодирующих последовательностей генов. В противном случае новые пептиды просто нарушили бы процесс синтеза белков. Клетке было бы просто неизвестно, какой аминокислоте отвечал тот или иной кодон (YGC или ATX). Биологи должны еще создать новую транспортную РНК, которая будет способна распознавать подобного рода триплеты и вставлять в растущую последовательность пептида определенную аминокислоту.
Но даже при таких условиях подобный организм с трудом можно будет назвать искусственным. В то же время ученые понимают, какими будут их последующие действия. Синтетический организм получит не только новые нуклеотиды, но и новые аминокислоты, которые либо вообще не встречаются, либо встречаются крайне редко внутри клетки. Ученым хорошо известно, что все триплеты нуклеотидов кодирует всего два десятка стандартных аминокислот. Часть других аминокислот, в том числе, селеноцистеин, могут встраиваться в белок при наличии определенных условий. Благодаря дополнительным буквам генетического кода станет возможным обогатить белок и образовать кодоны, которые будут соответствовать новым аминокислотам.
Несмотря на то, что синтетическая биология достигла определенных успехов, исследователям еще точно неизвестно, какая именно информация имеет значение, чтобы получить организм с заданными характеристиками. Последовательность ДНК является лишь отправной точкой. Во всех клетках растения или животного содержится один и тот же геном, но в ход развития организмов клетки разграничиваются, иными словами, они выполняют разные функции. В этом процессе большую роль играет вторичная (так называемая эпигенетическая) регуляция, в ходе которой происходит выключение или активирование определенных генов соединениями. В конечном итоге одна клетка может преобразоваться в фибробласт, а другая – в нейрон.
Ученый-биолог из Мэрилендского университета Энтони Хосе занимается изучением вопроса, каким образом негенетическая информация определяет вид организма. Исследователем была предложена концепция клеточного кода, который заключен в биологических молекулах, расположенных в трехмерном пространстве. Эти молекулы необходимы для воссоздания остального организма. Чтобы хранить данную информацию, все клетки сложного организма не нужны, достаточно будет нескольких или даже одной клетки. Для организмов, которые размножаются половым путем, таким хранилищем является зигота (это клетка, которая образуется после оплодотворения женской гаметы сперматозоидом).
Как полагает исследователь, чтобы расшифровать клеточный код, нужно изучить весь цикл воссоздания организма. Иными словами, необходимо рассматривать как единый процесс развитие живого организма и его размножение. Чтобы в полной мере понять, как это работает, расшифровать ДНК недостаточно.
В процессе образования зиготы на формирование нового организма оказывает влияние не только ДНК, которая получена от ооцита и сперматозоида, но и цитоплазма гаметы. Те вещества, которые накапливаются в ходе созревания гаметы (мРНК, белки, факторы транскрипции), могут послужить причиной материнского эффекта. Они имеются на ранних этапах развития зародыша и даже способны его убить (это характерно для жуков майского хрущака). Определенную роль играет и пространственное устройство данных веществ. В частности, они формируют оси тела у насекомых и определяют закрученность раковин у моллюсков.
Ученый предложит такую схему: клетка, обладающая биологическими макромолекулами и прочими соединениями, в процессе взаимодействия с питательными веществами, сигнальными молекулами и температурой (то есть, внешними факторами), переходит в другое состояние, что, в свою очередь, оказывает влияние на окружение. Подобным образом вся система проходит определенное число циклов, накапливая при этом новые вещества. Новый этап зависит от предыдущего, таким образом, его можно предсказать.
Хосе обеспокоен тем, что биологам до настоящего времени неизвестен весь клеточный код самого простого организма, однако они, работая с ДНК, тем не менее, уже взялись за создание полуискусственной формы жизни. По мнению исследователя, подобные манипуляции с генетическим материалом напоминают замену деталей в каком-то механизме, поэтому они могут быть очень рискованными с точки зрения этики.
Для расшифровки клеточного кода биолог предлагает проводить сравнение внутренних характеристик зигот в череде поколений простейших микроорганизмов, к примеру, одноклеточных водорослей. Для этих целей могут подойти и полуискусственные бактерии, обладающие минимальным геномом. За счет изучения отцовского или материнского эффекта появится возможность установить значимые внешние факторы. А исследование пространственного расположения важных молекул возможно проводить при помощи систематического биохимического и молекулярного анализа с применением флуоресцентных молекул.
