Да, я нисколько не шучу, работы над созданием искусственного генома и изучение его работы ведутся уже очень и очень давно. Правда каких то внятных успехов специалисты достигли только в прошлом десятилетии с созданием сложных химерных клеток. Но собрать химеру с мозаикой из генов - это не то чтобы сверхзадача. В конце концов с помощью химерных бактерий давно научились делать человеческий инсулин. А что если собрать простецкий геном, который не только сможет себя самореплицировать, но и будет постепенно накапливать мутации и эволюционировать?
Как вы наверно помните, одной из первых стадий эволюции жизни на нашей планете была химическая эволюция. Где то уже на излете этой стадии, которую также называют абиогенезом, в зонах химических реакций начали формироваться самореплицирующиеся кластеры из полимерных молекул РНК. Данные кластеры, согласно имеющимся у них химическим свойствам, умели не только копировать сами себя и расти в длину, но также мутировали посредством случайных ошибок копирования, а также из-за влияния среды и химических агентов в окружающем их растворе веществ. Кроме того, важной особенностью РНК является также способность её цепочки сворачиваться в различные структуры, что обеспечивает такой свернутой молекуле каталитические свойства за счет положения отдельных радикалов, присоединения ионов металлов и остальных изменений электронной конформации. Такие вот самореплицирующиеся молекулы, а точнее времена, когда они появились и стали доминирующими, зовутся эпохой РНК-мира. На данный момент, нам в наследство от этого мира достались множество РНК-агентов, без которых невозможны многие эпигенетические и генетические эффекты - вплоть до синтеза белков. Хотя бы просто потому что для этого нужна информационная, транспортные и рибосомные РНК.
Конечно же успешность каждой отдельной молекулы РНК зависела от того, как качественно она сможет передать информацию о своем строении своим будущим итерациям. Решением стало использование в качестве носителя данных молекулы ДНК. Она могла сворачиваться в двойную устойчивую спираль, также, куда слабее подвержена воздействию химических агентов и ультрафиолету. Такие биохимические комплексы стали возможно потому что РНК постепенно начали химическую кооперацию со всё набирающими общую биомассу полипептидами. А на полипептиды всегда можно свалить множество функций - от транспорта до катализа. Появление же биопленок - сначала как следствия пористости верхних слоев молодой гетерогенной литосферы, а затем и накопления сложных липидов, позволило проводить сложные реакции в зонах высокой концентрации вещества.
И если абиогенный синтез аминокислот, липидов, нуклеотидов и моносахаридов уже довольно давно основан и более-менее реконструирован, а мир РНК относительно неплохо изучен на базе работы с рукотворными самореплицирующимися молекулами, то вот работу простейшего генома, да так чтобы еще и эволюция шла - тут увы, всё никак родить не могли. До недавнего времени.
Еще в 2013-ом году специалисты университета Осаки показали работу самоподдерживающегося репликатора на основе РНК-цепочки. При чем важным условием работы именно эволюционного процесса стало создание эмульсии в минеральном масле, из-за чего раствор с органикой делился на множество отдельных пузырьков, где происходила трансляция. Такой движ обеспечил "конкурентную" среду для каждого пузырька. Делалось всё это в несколько раундов. Сначала давали возможность транслировать РНК-полимеразу, затем скопировать имеющийся РНК-ген, после чего добавляли немного реактивов и в очередной раз разбивали имеющиеся капельки - этакий аналог деления клеток. Оказалось, что на протяжении нескольких сотен раундов качество и скорость трансляции стали выше, а ошибок стало меньше. И это всё за счет адаптативных мутаций в изначальном гене. По сути же своей молекула эволюционировала даже тогда, когда её об этом не просили.
Но очевидно, что на банальной РНК японцы не остановились и через пару лет родили еще более дикий искусственный геном уже из ДНК. Как и в прошлый раз особо сложную систему пилить не стали - задача в конце концов была в том, чтобы показать репликацию и все вот эти базовые генетические штучки. В общем спецы собрали кольцую днкашку, в нее не мудрствуя лукаво посадили ген полимеразы фага phi29. Сама по себе эта полимераза - не так уж и проста как кажется. В работе она довольно тормозная на фоне остальных нормальных полимераз, зато работать с ней намного проще, особенно что касается температурного режима. Так что взяли её. Смысл сего действа был в том, чтобы собрать полный рабочий цикл - с ДНК считывается РНК, с РНК собирается полимераза, а потом эта же полимераза копирует имеющуюся ДНК. И так по кругу пока чертики в глазах не побегут. Кроме того в полученный недораствор кинули транскриптазу фага Т7, кучу отдельных нуклеотидов ДНК, кучку затравок для полимеразы и пирофосфатазу, чтобы фаговая полимераза совсем уж не тормозила процесс.
Далее процесс очевидно пошел. С кольцевой ДНК считывалась комплиментарная цепочка, потом на этой цепочке запиливалась уже комплиментарная ей. Вот только проблема в том, что была то у нас кольцевая, а стала линейная. И что делать? Проблему решили самым очевидным способом, как это сделал бы и любой из вас - добавили повторяющийся сайт loxP, очищенный белок Cre-рекомбиназу (очевидно почему это называется Cre-Lox рекомбинацией, не так ли?) и всё это сверху посыпали системой репликации ДНК с транскрипцией и трансляционной связью с использованием репликации по скользящему кругу.
Ну и наворотили короче делов, запустили - а оно не пашет. Точнее тут появилась проблема, что работа полимеразы фага phi29 сильно подавлялась Cre рекомбиназой - они тупо воевали за одно и тоже место для посадки, но как я уже говорил - фаговая полимераза тормозная, её прогнать с места несложно. Но тут случилось божественное провидение полсотни раундов перемешивая и разбивания шариков в эмульсии, и внезапно эффективность репликации улетела в небеса. Ну по сути в те самые сорок раз. А все из-за мутаций в сайте loxP или в гене полимераза фага phi29! Вот она победа адаптативной эволюции над здравым смыслом. Как бы ученые не пытались сделать всё через одно место, с полусотни раз заведется даже мотоцикл Урал.
Вы думаете японцы остановились на этом? Неееееееееееееееет, ни в коем случае! Возникла идея - ну раз с одним геном всё работает, то почему бы не добавить ту самую рекомбиназу в виде ДНК в геном и опять начать мучать нуклеотиды еще пару сотен циклов?
Что ж, биохимики собрали еще более сложную кольцевую ДНК - и по сути получили несколько поколений клонов, а также кучу паразитной ДНК. В конце концов от ошибок считывания никто не застрахован. Ну а ДНК клонов решили секвенировать и посмотреть, чего они там намутировали в процессе двух серий экспериментов. Оказалось, что среди клонов присутствуют как простецкие случайные единичные мутации, которые ни к чему не приводят (у каждого клона свои), так и мутации связанные с дупликацией целых кусков ДНК, в особенности промоторов генов, которые видимо ускоряли считывание информации с генов. И такие дупликации, появившись единожды, быстро распространялись по популяции - еще бы, эффективно тратить ресурсы нужно всем, вне зависимости есть у тебя сознание или нет. Ведь эффект положительной обратной связи никто не отменял!
Далее начали мучать более детально. В частности проверили эффективность мутаций и их влияние на работоспособность искусственного генома - оказалось, что в половине случаев мутагенез оказался полезен. Потом посмотрели как эффективно мутации влияют на свойства получаемых белков и так далее, и тому подобное, думаю вам это не интересно.
Ну и под завершение угара японцы решили добавить уже четвертый ген в кольцевую ДНК, чтобы оценить возможность устойчивой работы саморепликации при усложнении генома. Оказалось что исходная не мутировавшая молекула оказалась по сути химически мертва, а вот трое из четырех мутантов ничего не заметили и спокойно считывали весь свой химерный генотип и даже что-то себе там под нос синтезировали.
Ну что, готовы уже на пенсии наблюдать искусственную жизнь? Иногда так и хочется таким экспериментам сказать - "А можно не надо?" =)
Оригинальная статья: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssynbio.1c00430
Чтобы не ошибиться, ориентировался на статью с Элементы.Ру: https://elementy.ru/novosti_nauki/433906/Iskusstvennyy_genom_iz_dvukh_genov_uspeshno_samovosproizvoditsya_i_evolyutsioniruet/t2395410/Molekulyarnaya_biologiya
СТРИМЫ: https://trovo.live/crazypaleo
ПОДДЕРЖИ НА БУСТИ: https://boosty.to/crazypaleo
СОВЕТУЮ ОБРАТИТЬ ВНИМАНИЕ!
https://zen.yandex.ru/media/lifehackers/kanaly-na-kotorye-stoit-podpisatsia-622683297124ba47b91c2024