На пути к искусственной жизни: компьютер впервые полностью сгенерировал геном живого организма

Все последовательности генома организмов, известных на сегодняшний день, хранятся в базе данных Национального центра биотехнологического информации США. На днях там появилась новая запись: Caulobacter ethensis-2.0. Так специалисты из Швейцарской высшей технической школы Цюриха назвали геном живого организма, который был впервые полностью сгенерирован компьютером.

Специалисты уточняют, что пока геном Caulobacter ethensis-2.0 существует в виде очень большой молекулы ДНК.

Напомним, что более десяти лет назад исследователи под руководством пионера в области секвенирования человеческого генома Крейга Вентера (Craig Venter) создали синтетическую версию бактерии вида Mycoplasma mycoides — одного из простейших организмов на Земле. Они пересадили синтетический запрограммированный геном в живую клетку. На удивление организм работал по заданному сценарию и даже размножался. Синтетическая бактерия получила наименование Синтия (Cynthia).

Всё это положило начало развитию современной синтетической биологии, и с тех пор учёные старались создать сложный организм, геном которого был бы спроектирован и собран в лабораторных условиях с нуля.

Как сообщается в пресс-релизе недавнего исследования, швейцарские учёные разработали новый метод, значительно упрощающий производство больших молекул ДНК, содержащих огромное количество генов. Такой способ помог им построить первый геном бактерии, полностью сгенерированный компьютером.

Специалисты работали с геномом безвредной бактерии вида Caulobacter crescentus, который содержит четыре тысячи генов. Такую бактерию часто можно обнаружить в реках и озёрах по всему миру.

Как и у большинства организмов, часть ДНК бактерии является "мусорной". Ранее специалисты выяснили, что лишь 680 из её генов важны для поддержания жизни бактерий в лаборатории. Иными словами, микроорганизмы с минимальным геномом вполне могли существовать в лабораторных условиях.

Работая с минимальным геномом бактерии, специалисты впоследствии упростили и его: они вырезали встроенные "повторы". Как объясняют исследователи, во многих случаях аминокислоты могут быть собраны в нескольких различных комбинациях, чтобы добиться одного и того же эффекта.

Собственно, поэтому учёные разработали алгоритм для определения идеальной последовательности ДНК для синтеза и построения генома, которую они в конечном счёте использовали в своей работе.

В результате специалисты внесли множество небольших изменений в минимальный геном: они заменили более одной шестой из 800 тысяч "букв" ДНК в искусственном геноме.

В сущности, они радикально упростили последовательность генома без изменений фактической генетической информации, пишут авторы работы.

Они синтезировали 236 сегментов генома, которые впоследствии собрали вместе.

"Благодаря нашему алгоритму мы полностью переписали геном [бактерии] в новую последовательность букв ДНК, которая больше не напоминает исходную последовательность", – говорит соавтор работы профессор Бит Кристен (Beat Christen).

Чтобы проверить, позволят ли эти изменения функционировать микроорганизму должным образом, генетики спроектировали штаммы C. crescentus, которые имели как естественный геном, так и сегменты искусственного.

Учёные "отключили" некоторые естественные гены и проверили, будут ли искусственные аналоги выполнять ту же работу. Примерно 580 из 680 искусственных генов оказались функциональными.

"Благодаря полученным знаниям, мы сможем улучшить наш алгоритм и разработать полностью функциональную версию генома 3.0", – говорит Кристен.

В целом изобретение синтетического генома имеет практическую пользу для человечества: к примеру, на его основе можно будет создать биотопливо, отличающееся по цене от уже существующих и не причиняющее вреда окружающей среде.

Кроме того, он поможет синтезировать ДНК-вакцины. Подобные организмы также могут вырабатывать нужные человечеству витамины и лекарства.

При этом учёные не забывают разрабатывать механизмы, которые не позволят таким "инопланетянам" бежать из стен лаборатории.

Научная статья по итогам исследования опубликована в издании PNAS.

Ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали, как искусственная ДНК сымитировала поведение природной двойной спирали. Кроме того, мы сообщали, что полусинтетическая бактерия впервые создала совершенно новый белок.