В базах данных Национального центра биотехнической информации в США хранятся последовательности геномов всевозможных известных биологии организмов. Теперь в базе появился новый необычный геном – Caulobacter ethensis-2.0. Интересен он тем, что имеет рукотворное происхождение, а главное – что он полностью сгенерирован компьютером.
Для работы над искусственной генерацией генома C. ethensis-2.0 была выбрана хорошо изученная безвредная пресноводная бактерия Caulobacter crescentus. Этот организм не провоцирует каких-либо болезней и его используют как экспериментальный образец в лабораториях. В геноме этой бактерии содержится 4000 генов, но было показано, что для выживания в условиях лаборатории ей достаточно определённого набора из 680 генов.
В 2008 году генетики из Америки сделали большой прорыв, совершив химический синтез генома бактерии, сделав высокоточную копию бактерии Mycoplasma mycoides. Это достижение потребовало 10 лет работы группы из 20 человек с суммарными итоговыми затратами 40 миллионов долларов. Ученые Бит и Матиас Кристены из университета Швейцарская высшая техническая школа Цюриха занялись, в общем, той же задачей, но применив отличный от прямого копирования подход.
В случае генома бактерии нужно было создать замкнутую в кольцо макромолекулу ДНК. Была реализована идея изменения генома организма-образца посредством компьютерного алгоритма. Создавать крупную молекулу генома нужно было пошагово. Исследователи сгенерировали 236 фрагментов генома, соединив их в одно целое. Основной проблемой при синтезе этих фрагментов было то, что разные молекулы ДНК, в зависимости от их последовательностей, имеют свойства «склеиваться», «завязываться» в узлы и образовывать петли, что затрудняет процесс массового искусственного синтеза генома.
Решить главную трудность помогло занятное свойство биологии, которое гласит, что генетический код, на самом деле, хранит в себе определённое количество избыточной информации. Учёные разработали алгоритм, который, пользуясь генетической избыточностью, вычисляет идеальную для синтеза и конечной конструкции генома формулу ДНК-последовательности. Алгоритм в своём результате упростил и полностью переписал последовательность исходного генома, образовав новый набор литер ДНК, более не воссоздающий оригинальную структуру; при этом, что самое главное, были сохранены исходные биологические функции.
Такой геном несёт в себе только ту информацию и, следовательно, свойства, которую разведала на данный момент наука. Другая информация, доселе не обнаруженная, не будет отражена в сгенерированном геноме и её сопутствующие функции присутствовать в модификации не будут. Поэтому реорганизованный подобным образом геном работает как лакмусовая бумажка для экспериментаторов: по его функциональности можно понять, насколько детально на текущем этапе понимается генетика и какие пробелы в ней нужно восполнить.
Чтобы протестировать синтезированный геном, исследователи создавали штаммы бактерии, содержащие естественный геном и сегменты сгенерированного компьютером генома. Отключались исходные гены и проверялась работоспособность их искусственных заменителей – один за другим в многошаговом процессе. По итогам проверки 580 из 680 были функциональными, что оставляет дополнительную работу в следующей искусственной версии генома 3.0. Матиас Кристен указал: «Работа пока что не идеальна, но она наглядно демонстрирует, что генетические биологические системы обладают достаточно простым строением, чтобы в будущем выставлять нужные для результирующего генома спецификации на компьютере и строить геномы согласно поставленным целям».
Больше познаваемого читайте на нашем сайте: poznavaemoe.ru