Все последовательности генома организмов, известных во всем мире, хранятся в базе данных, принадлежащей Национальному центру биотехнологической информации в Соединенных Штатах. На сегодняшний день в базе данных есть дополнительная запись: Caulobacter ethensis-2.0. Это первый в мире полностью компьютерный геном живого организма, разработанный учеными из ETH Zurich. Однако следует подчеркнуть, что, хотя геном C. ethensis-2.0 был физически получен в виде очень большой молекулы ДНК, соответствующий организм еще не существует.

C. ethensis-2.0 основан на геноме хорошо изученной и безвредной пресноводной бактерии Caulobacter crescentus, которая встречается в природе в родниковой воде, реках и озерах по всему миру. Не вызывает никаких заболеваний. C. crescentus также является модельным организмом, обычно используемым в исследовательских лабораториях для изучения жизни бактерий. Геном этой бактерии содержит 4000 генов. Ученые ранее продемонстрировали, что только около 680 из этих генов имеют решающее значение для выживания видов в лаборатории. Бактерии с таким минимальным геномом жизнеспособны в лабораторных условиях.

Бит Кристен, профессор экспериментальной системной биологии в ETH Zurich, и его брат Маттиас Кристен, химик в ETH Zurich, взяли за минимальный геном C. crescentus в качестве отправной точки. Они решили химически синтезировать этот геном с нуля в виде непрерывной кольцеобразной хромосомы. Задача считается истинной силовой силой: согласно сообщениям СМИ, химически синтезированный бактериальный геном, представленный 11 лет назад американским пионером генетики Крейгом Вентером, стал результатом 10 лет работы 20 ученых. Стоимость проекта, как говорят, составила 40 миллионов долларов.

Рационализация производственного процесса

В то время как команда Вентера сделала точную копию естественного генома, исследователи из ETH Zurich радикально изменили свой геном, используя компьютерный алгоритм . Их мотивация была двоякой: одна — чтобы было намного проще производить геномы, и вторая — для решения фундаментальных вопросов биологии.

Чтобы создать молекулу ДНК размером с бактериальный геном, ученые должны действовать шаг за шагом. В случае генома Caulobacter ученые из ETH Zurich синтезировали 236 сегментов генома, которые они впоследствии соединили. «Синтез этих сегментов не всегда прост», — объясняет Матиас Кристен. «Молекулы ДНК не только обладают способностью прилипать к другим молекулам ДНК, но в зависимости от последовательности они также могут скручиваться в петли и узлы, что может затруднить процесс производства или сделать производство невозможным», — объясняет Матиас Кристен.

Упрощенные последовательности ДНК

Чтобы синтезировать сегменты генома самым простым способом, а затем собрать воедино все сегменты наиболее упорядоченным образом, ученые радикально упростили последовательность генома, не изменяя фактическую генетическую информацию (на уровне белка). Существует много возможностей для упрощения геномов, потому что биология имеет встроенные резервы для хранения генетической информации. Например, для многих белковых компонентов (аминокислот) существует две, четыре или даже больше возможностей записать свою информацию в ДНК.

Алгоритм, разработанный учеными из ETH Zurich, оптимально использует эту избыточность генетического кода. Используя этот алгоритм, исследователи вычислили идеальную последовательность ДНК для синтеза и конструирования генома, которую они в конечном итоге использовали для своей работы.

В результате ученые внесли много небольших модификаций в минимальный геном, что, впрочем, впечатляет в целом: более шестой части из 800 000 букв ДНК в искусственном геноме было заменено по сравнению с «естественным» минимальным геном. «Благодаря нашему алгоритму мы полностью переписали наш геном в новую последовательность букв ДНК, которая больше не напоминает исходную последовательность. Однако биологическая функция на уровне белка остается той же», — говорит Бит Кристен.

Лакмусовая бумажка для генетики

Переписанный геном также интересен с биологической точки зрения. «Наш метод является лакмусовой бумажкой, чтобы увидеть, правильно ли мы, биологи, понимаем генетику, и он позволяет нам выделить возможные пробелы в наших знаниях», — объясняет Бит Кристен. Естественно, переписанный геном может содержать только ту информацию, которую исследователи действительно поняли. Возможная «скрытая» дополнительная информация, которая находится в последовательности ДНК и еще не была понята учеными, была бы потеряна в процессе создания нового кода.

Для исследовательских целей ученые создали штаммы бактерий, которые содержали как природный геном Caulobacter, так и сегменты нового искусственного генома. Отключив некоторые естественные гены в этих бактериях, исследователи смогли проверить функции искусственных генов. Они проверили каждый из искусственных генов в многоступенчатом процессе.

В этих экспериментах исследователи обнаружили, что только около 580 из 680 искусственных генов были функциональными. «Обладая знаниями, которые мы получили, мы сможем улучшить наш алгоритм и разработать полностью функциональную версию генома 3.0», — говорит Бит Кристен.

Огромный потенциал для биотехнологии

«Несмотря на то, что текущая версия генома еще не идеальна, наша работа тем не менее показывает, что биологические системы построены таким простым способом, что в будущем мы сможем разработать спецификации проекта на компьютере в соответствии с нашими целями. , а затем построить их «, говорит Матиас Кристен. И это может быть достигнуто сравнительно простым способом, как подчеркивает Бит Кристен: «Что потребовалось десять лет с подходом Крейга Вентера, наша небольшая группа достигла с нашей новой технологией в течение одного года со стоимостью производства 120 000 швейцарских франков».

«Мы полагаем, что вскоре также будет возможно производить функциональные бактериальные клетки с таким геномом», — говорит Бит Кристен. Такое развитие будет иметь большой потенциал. Среди возможных будущих применений — синтетические микроорганизмы, которые могут быть использованы в биотехнологии, например, для производства сложных фармацевтически активных молекул или витаминов. Технология может применяться универсально для всех микроорганизмов, а не только для Caulobacter. Другой возможностью было бы производство ДНК-вакцин.

«Как бы многообещающими ни были результаты исследований и возможные применения, они требуют глубокого обсуждения в обществе целей, для которых эта технология может быть использована, и в то же время о том, как можно предотвратить злоупотребления», — говорит Бит Кристен. Пока неясно, когда будет произведена первая бактерия с искусственным геномом , но сейчас ясно, что она может и будет развиваться. «Мы должны использовать время, которое у нас есть, для интенсивных дискуссий между учеными, а также в обществе в целом. Мы готовы внести свой вклад в эту дискуссию со всеми имеющимися у нас ноу-хау».