Группа учёных под руководством Крейга Вентера разработала, собрала и запустила в действие синтетический геном на основе расшифровки полной последовательности ДНК реально существующей бактерии. Клетки с новой ДНК демонстрируют все ожидаемые признаки и способны к самостоятельному делению. Американские политики напряглись.
Материал опубликован на портале "Частный корреспондент".
Начало этого сенсационного эксперимента было заложено ещё 15 лет назад. В 1995 году команда исследователей под руководством всё того же Крейга Вентера впервые «прочитала» полную последовательность генетического кода бактерии, принадлежащей к роду микоплазм. Была выбрана такая бактерия, которая обладала самым маленьким геномом из всех известных организмов, способных к самостоятельному размножению. С тех пор скорость и точность считывания генетической информации с живых объектов выросла в несколько раз. 15 лет назад определение полной последовательности ДНК бактериальной клетки требовало месяцы напряжённой работы, теперь же на это уходит несколько рабочих дней.
Герой американского научно-фантастического рассказа полувековой давности получил по почте набор «Сделай сам», позволяющий в домашних условиях создавать различные формы жизни, в том числе и человека. Как часто бывает, наука со временем воплощает в жизнь даже самые курьёзные фантастические идеи. Похоже, такого рода конструктор становится реальностью.
Процесс и результаты создания полностью синтезированного генома исследователи во главе с Вентером описали в статье, опубликованной 20 мая 2010 года в журнале Nature, которая произвела настоящую сенсацию не только в научном мире, но и в СМИ, заговоривших о возможных опасных последствиях исследований генетиков. Даже конгресс США в срочном порядке вызвал Вентера на специальные слушания по поводу полученных им результатов, и Вентеру пришлось успокаивать американских конгрессменов, объясняя, что же именно он смог сделать с ДНК и насколько его исследования безопасны. Насколько обосновано беспокойство политиков? Прежде всего нужно понять, что именно сделали учёные.
Для начала группой исследователей были определены последовательности ДНК (биологи употребляют более короткий термин — секвенированы) двух разных бактерий, принадлежащих к одному и тому же виду микоплазм, вызывающих инфекционные заболевания у крупного рогатого скота (латинское название Mycoplasma mycoides ). Генетические различия между этими двумя представителями бактериального мира можно сравнить с различиями, например, между разными сортами помидоров.
Работа потребовала большой точности, поскольку именно от аккуратности её выполнения зависел успех всего эксперимента. Небольшой экскурс в биохимию позволит нам вспомнить, что молекула ДНК, хранитель наследственной информации, состоит из четырёх базовых элементов — нуклеотидов. Именно последовательность их повторения в молекуле ДНК определяет структуру, форму и функции вырабатываемых живой клеткой белков. При размере полного генома микоплазмы приблизительно 1 080 000 оснований различались между этими двумя бактериями всего 95.
Последовательность нуклеотидов, полученная при расшифровке геномов этих двух бактерий, была затем обработана с помощью компьютерных программ, чтобы получить новый «усреднённый» вариант, который и послужил основой для синтетического генома. Кроме того, в новый геном были добавлены четыре специальных фрагмента, отсутствовавших в геномах реальных бактерий. Эти встроенные участки длиной около 1000—1200 нуклеотидов, называемые на научном жаргоне водяными метками, были специально разработаны, чтобы впоследствии помочь исследователям различать искусственный геном и натуральный (то есть несинтетический).
Спроектированный таким образом искусственный геном был разбит на «кассеты» — участки по 1080 нуклеотидов каждый. Эти небольшие «кассеты» были синтезированы химическим путём на специальном оборудовании. Каждая «кассета» перед дальнейшей сборкой была проверена на соответствие запрограммированной последовательности. Последующая сборка происходила в три этапа при помощи клеток дрожжей и клеток кишечной палочки, выполнявших роль «биологической фабрики». Каждый раз исследователям необходимо было выделять полученную молекулу ДНК из дрожжевых клеток, а затем снова и снова проверять, произошла ли сборка, не содержит ли она ошибок, стоит ли каждый кирпичик на своём, отведённом ему месте. После первого этапа участок молекулы ДНК увеличился до 10 тысяч оснований. 109 «кассет», полученных таким образом, на втором этапе объединили в участки длиной 100 тысяч оснований. На последнем этапе собирались уже эти большие фрагменты. Весь процесс производился в дрожжевых клетках. Завершив сборку, учёные снова выделили собранную ДНК, очистили её и проверили правильность всей конструкции.
В качестве клетки-реципиента была выбрана бактерия, близкий родственник той, на основе которой был сконструирован геном. Эта бактерия принадлежит к другому виду — Mycoplasma capricolum — и вызывает инфекционные заболевания у коз. Чтобы подготовить клетку-реципиент к принятию чужеродного генетического материала, из неё удалили собственный геном, оставив неповреждёнными стенки бактерии и её содержимое (цитоплазму). С помощью специальной методики трансформации собранная учёными синтетическая молекула ДНК была встроена в подготовленную таким образом клетку.
Итак, что нам надо для жизни? Во-первых, аминокислоты и сахара — простые «кирпичики», из которых потом получатся белки и нуклеиновые кислоты. Могут они произвольно образоваться? Могут. Этот процесс называется абиогенным синтезом. А вот как из них получились молекулы и комплексы молекул, которые умеют себя воспроизводить? Откуда взялось «вещество наследственности»? Ответ на этот вопрос и есть ключевое звено в цепи чудесных превращений мёртвой планеты в живую.
Чтобы удостовериться в том, что клетка-реципиент после трансформации действительно содержит донорскую ДНК, учёные использовали водяные метки. Они продемонстрировали, что все четыре контрольных участка присутствуют в новой сконструированной клетке. Кроме того, один из полученных «трансплантантов» был подвергнут полному секвенированию. Сомнений не осталось — клетка-реципиент действительно содержала синтетический геном!
Примечательно, что в процессе трансформации этот новый геном подвергся небольшим изменениям: восемь одиночных нуклеотидов были заменены на другие, не нарушив, однако, функционирования клетки. Кроме того, был обнаружен подвижный генетический элемент, принадлежащий кишечной палочке, которую исследователи использовали в качестве «биологической фабрики», а небольшой фрагмент из 85 нуклеотидных оснований ДНК подвергся удвоению. Подобные явления хорошо известны учёным и являются неотъемлемой частью перестроек генетического материала, происходящих в норме в живой клетке.
Полученные в результате клетки были способны к самостоятельному росту и делению в лабораторных условиях. Внешний вид колоний и их размеры были неотличимы от клеток, послуживших прототипом для синтетического генома. Проведённый белковый анализ подтвердил полное сходство с прототипом. Было найдено и одно несомненное различие: полученные «трансплантанты» росли несколько быстрее, чем контрольные натуральные клетки.
Таким образом, очевидно, что исследовательской группой Крейга Вентера впервые была получена так называемая синтетическая клетка, то есть клетка, контролируемая геномом, собранным из искусственно синтезированных участков ДНК. Хотя необходимо подчеркнуть, что сама клетка-реципиент и её содержимое, не связанное с наследственным материалом (ДНК), имели самое что ни на есть натуральное происхождение. Тем не менее в результате роста «трансплантанта» белки, содержавшиеся в исходной натуральной цитоплазме, постепенно заменились на новые белки, запрограммированные донорским геномом, поученным путём синтеза.
Этот эксперимент — несомненный прорыв в технологии, и может послужить началом новой эры синтетической биологии. До последнего времени учёным удавалось интегрировать один, два или три инородных гена в геном другой клетки — именно такие организмы называются генетически модифицированными и широко используются в современной агрикультуре. На этот раз речь идёт о целом геноме, встроенном в натуральную клетку. В опубликованной Nature статье авторы исследования подчёркивают, что возможности, открываемые новым методом, могут спровоцировать различные философские дискуссии, поскольку его применение, несомненно, вызовет многочисленные социологические и этические вопросы.
От редакции
Подводя итоги исследования, Крейг Вентер и его коллеги, известные генетики Клайд Хатчинсон и лауреат Нобелевской премии Хамильтон Смит, в статье, которую опубликовал журнал New Scientist, подчёркивают, что они не создали искусственную жизнь с нуля, но им удалось «трансформировать одну существующую жизнь в новую жизнь», которую ни один биолог, не проводя анализа ДНК клеток, не может отличить от исходной.
Воссоздание работающей ДНК — огромный шаг вперёд. Но, в сущности, наука ещё не может сказать, за что именно отвечают все гены хотя бы одной какой-нибудь клетки. Кроме того, ДНК — не единственная структура, обеспечивающая жизнедеятельность клетки. Другие, важные для функционирования живой клетки, структуры, биология воспроизводить — пока! — ещё не научилась. Очевидно, что проведённый Вентером и его коллегами эксперимент — настоящий поворот в развитии биотехнологий. Во всяком случае, Exxon уже поверила в Вентера и за 300 млн долларов заказала его институту «изготовление» водорослей, которые могли бы эффективно превращать углекислый газ в углеводородное топливо.
Революционный прорыв, который совершила группа Вентера, безусловно, заставляет задуматься. Опасения конгрессменов пока преждевременны — создать совершенно новую жизнь в ближайшие годы никто не сможет. Но дорога к этому открыта. Что ждёт человечество на этом пути? Совершенствование собственного вида и приспособление к себе биосферы? Или же кто-нибудь ненароком или по злому умыслу создаст, например, новый вид вируса, который сможет уничтожить человечество? Президент США уже поручил президентской комиссии по вопросам биоэтики внимательно изучить результаты исследований Вентера.
Автор: Ольга Глазунова-Беттенфельд, "Частный корреспондент".