Ученые пересадили целый геном другого вида в мертвую бактерию, что вернуло ее к жизни. Это достижение стало большим шагом к созданию искусственной жизни с нуля, а также может помочь синтетической биологии приблизиться к реализации своего огромного, но пока далекого потенциала — конструированию организмов для производства устойчивого топлива, фармацевтических препаратов и новых материалов.
Синтетическая биология занимается модификацией биологических систем или созданием новых для придания организмам не свойственных им функций, например, переписыванием ДНК дрожжей, чтобы они производили нужные химические вещества. Стремясь сделать сконструированные микробы более универсальными, в 2010 году исследователи синтезировали бактериальный геном и пересадили его в живую клетку, назвав результат первой синтетической клеткой.
Однако возникла проблема. Невозможно с уверенностью утверждать, что клетка действительно управляется синтетическим геномом, а не своим собственным. Бактерии часто поглощают генетический материал из окружающей среды и встраивают его в свой геном в процессе горизонтального переноса генов.
Джон Гласс из Института Крейга Вентера (JCVI) в Ла-Хойе, Калифорния, и его коллеги решили сначала убить клетку-хозяина — или, по крайней мере, ее геном. Результатами своих захватывающих экспериментов они поделились в препринте на bioRxiv.
Как проходил эксперимент
Простую бактерию Mycoplasma capricolum обработали митомицином C — препаратом для химиотерапии, который убивает раковые клетки путем повреждения их ДНК.
«Клетка остается жизнеспособной, но, поскольку она больше не может размножаться, а ее геном нефункционален, она обречена на смерть или уже мертва», — объясняет инженер-химик Зумра Сейдель из JCVI, соавтор исследования.
В мертвые клетки ввели синтетическую версию генома другой бактерии, Mycoplasma mycoides, применив метод, который в статье назван трансплантацией целого генома.
Некоторые бактерии начали нормально расти и делиться. Генетические тесты показали, что они несут синтетический геном. По словам исследователей, это делает их первыми живыми синтетическими бактериальными клетками, сконструированными из неживых частей. Ученые назвали их «зомби-клетками», поскольку те были оживлены после смерти.
«Мы берем клетку без генома — она функционально мертва. Но, добавляя новый геном, мы ее воскрешаем», — говорит Гласс.
«Они помещают геномную “начинку” в неживого реципиента, поэтому не получают помощи от собственных механизмов восстановления хозяина. По сути, они “загрузили” эту клетку заново. Это потрясающая работа», — оценивает Кейт Адамала из Миннесотского университета.
По ее мнению, это достижение стирает грань между живым и неживым: «Бизнес-модель любой полноценной живой клетки — это метаболизм и репликация. Эти функции стали отличительными признаками жизни. Геном клетки-реципиента здесь почти не метаболизирует и уж точно не реплицируется. Каков же тогда основной признак жизни?»
Биология в принципе балансирует на размытой границе между жизнью и смертью, считает Элизабет Стрихалиски из Национального института стандартов и технологий в Гейтерсберге.
«Я надеюсь, это заставит людей задуматься о том, что жизнь — это набор процессов, и если применить к этому инженерный подход, мы сможем взглянуть на живую систему и спросить себя: какие именно процессы нам действительно нужны для достижения конечной цели?» — добавляет она.
Что дальше
Пока что метод опробован только на микоплазмах, но исследователи рассматривают его как подтверждение концепции, которое может ускорить создание синтетических организмов, работающих как мини-химические заводы: производство лекарств или восстановление окружающей среды.
«Долгое время у нас была возможность собирать очень большие фрагменты синтетической ДНК, но мы не могли вставить их туда, где они могли бы принести пользу. Похоже на то, как иметь пьесу Шекспира, но не иметь возможности ее исполнить», — сравнивает Стрихалиски.
«Такие эксперименты всегда предполагают риск проблем с биобезопасностью», — напоминает генетик Акош Ньергеш из Гарвардской медицинской школы.
Микоплазмы, рассмотренные в исследовании, могут вызывать болезни у коз и крупного рогатого скота. Впрочем, ни одно из внесенных изменений не должно повысить их вирулентность, добавляет он.
Действующие лабораторные стандарты безопасности сводят к минимуму риск выхода патогенов во внешнюю среду, заверила Стрихалиски.
Генетики научили дрожжи производить человеческий фермент для лечения заболеваний
Биоинженеры впервые создали искусственные органеллы в бактериях
Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX