Искусственная бактерия показала, какие гены нужны для существования жизни

Спустя пять лет после создания первой самовоспроизводящейся синтетической бактериальной клетки, биотехнолог и предприниматель Крейг Вентер вместе со своими коллегами выяснил, что живое существо может жить полноценной жизнью и при этом воспроизводиться, имея в наличии лишь 473 гена. Этот миниатюрный биологический код – наименьший набор генов, встречающийся у каждого существа в природе.

"Если изъять хотя бы один из этих генов, клетка погибает, – комментирует Вентер. – Мы ожидали, что для жизни пригодны всего 5-10% генов, встречающихся у всех живых существ".

Учёные научного института Вентера Synthetic Genomics Inc. использовали в качестве модели свой первый синтезированный элемент. Клеточная модель, известная как JCVI-syn1.0, обладала набором из 901 гена. То есть почти идентичным существующему в природе геному бактерии вида Mycoplasma mycoides, однако тот микроорганизм имеет короткий генетический код, потому что живёт внутри клетки-хозяина.

"Эти геномы малы не потому, что они примитивны, а потому что развились из клетки, имевшей некогда тысячи генов. Гены были потеряны в результате долгого эволюционного пути, так как организм в них не нуждался", – комментирует биохимик и микробиолог Клайд Хатчинсон (Clyde Hutchison), ведущий автор новой научной работы.

Учёные сначала разработали гипотетический геном, который, по их мнению, кодирует саму жизнь. Они организовали генетический код посегментно, чтобы проверить, какой из сегментов действительно необходим жизни, а какой нет. Задача состояла не в том, чтобы максимально уменьшить количество генов, а в том, чтобы понять, каково минимальное необходимое их количество.

Команда также хотела создать клетку, которая будет способна к оптимальному делению, поэтому в минимальный код было введено ещё нескольких генов. В результате пяти лет работы учёные создали бактерию с самым малым числом необходимых генов. Она получила название JCVI-syn3.0, а генов в ней осталось всего 473. При этом, как оказалось, 149 генов несут неизвестную функцию.

То есть около трети этих генов, необходимых для жизни, кодируют биологические функции, о которых учёные совершенно ничего не знают.

Также оказалось, что некоторые гены, первоначально классифицированные как ненужные, на самом деле ответственны за поддержание функций какого-то другого гена, при этом один ген из пары можно отключить, но оба – нет. Сам Вентер сравнивает это явление с двигателями самолёта – один из них можно отключить, и тогда самолёт долетит до места назначения, но нельзя отключить оба.

Команда Вентера также обнаружила, что окружающая среда играет крайне важную роль для создания оптимального кода для жизни. Например, клетки, получающие питательные вещества из фруктозы и глюкозы, непременно должны обладать генами, метаболизирующими оба типа сахаров.

Удаление генов, ответственных за переработку питательных веществ извне, привело к созданию организма, не способного функционировать.

"Мы поняли, что жизнь больше похожа на концерт симфонического концерта, чем на сольную партию", – провёл ещё одну аналогию Вентер.

Исследователи полагают, что разрабатываемые в лаборатории синтетические клетки могут быть использованы не только для изучения необходимых для роста и деления генов, но и могут найти применение в самом широком спектре областей, от медицины до промышленности, в том числе биохимии, биотопливе, питании и сельском хозяйстве.

По мнению Вентера, в дальнейшем можно будет проектировать и синтезировать организмы по желанию, добавляя каждому конкретные функции. Создание искусственных геномов может в будущем конкурировать с технологией генетического редактирования, уверен учёный.

Подробности исследования были опубликованы журналом Science.