Все геномные последовательности организмов, известных во всем мире, хранятся в базе данных, принадлежащей Национальному центру биотехнологической информации в США. На сегодняшний день в базе данных есть дополнительная запись: Caulobacter ethensis -2.0. Это первый в мире полностью сгенерированный компьютером 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.
С. 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. Он 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 вида в лаборатории. Бактерии с таким минимальным геномом жизнеспособны в лабораторных условиях.
Бит Кристен, профессор экспериментальной системной биологии в Швейцарской высшей технической школе Цюриха, и его брат Матиас Кристен, химик из Швейцарской высшей технической школы Цюриха, взяли за отправную точку минимальный геном C. crescentus. Они намеревались химически синтезировать этот геном с нуля в виде непрерывной кольцеобразной хромосомы. Такая задача ранее считалась настоящим проявлением силы: согласно сообщениям СМИ, химически синтезированный бактериальный геном, представленный одиннадцать лет назад пионером американской генетики Крейгом Вентером, стал результатом десятилетней работы 20 ученых. Стоимость проекта оценивается в 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 с помощью компьютерного алгоритма. Их мотивация была двоякой: во-первых, упростить создание геномов, а во-вторых, решить фундаментальные вопросы 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 впоследствии были объединены. «Синтез этих сегментов не всегда прост, - объясняет Маттиас Кристен. «Молекулы ДНК не только обладают способностью прилипать к другим молекулам ДНК, но и, в зависимости от последовательности, могут скручиваться в петли и узлы, что может затруднить производственный процесс или сделать производство невозможным», - объясняет Матиас Кристен.
Упрощенные последовательности ДНК
Чтобы синтезировать сегменты генома самым простым способом, а затем максимально упорядоченным образом собрать все сегменты воедино, ученые радикально упростили последовательность генома, не изменяя фактическую генетическую информацию (на уровне белка). Существует достаточно возможностей для упрощения геномов, потому что биология имеет встроенную избыточность для хранения генетической информации. Например, для многих белковых компонентов (аминокислот) есть две, четыре и даже больше возможностей записать свою информацию в ДНК.
Алгоритм, разработанный учеными ETH Zurich, оптимально использует эту избыточность генетического кода. Используя этот алгоритм, исследователи вычислили идеальную последовательность ДНК для синтеза и построения генома, которую они в конечном итоге использовали в своей работе.
В результате ученые внесли в минимальный геном множество мелких модификаций, которые в совокупности, однако, впечатляют: заменено более шестой части из всех 800 000 букв ДНК в искусственном геноме, по сравнению с «естественным» минимальным геномом.«С помощью нашего алгоритма мы полностью переписали наш геном в новую последовательность букв ДНК, которая больше не похожа на исходную последовательность. Однако биологическая функция на уровне белка остается прежней», - говорит Бит Кристен.
Лакмусовая бумажка для генетики
Переписанный геном интересен и с биологической точки зрения. «Наш метод - это лакмусовая бумажка, позволяющая увидеть, правильно ли мы, биологи, поняли генетику, и она позволяет нам выявить возможные пробелы в наших знаниях», - объясняет Бит Кристен. Естественно, переписанный геном может содержать только ту информацию, которую исследователи действительно поняли. Возможная «скрытая» дополнительная информация, расположенная в последовательности ДНК и до сих пор не понятая учеными, была бы утеряна в процессе создания нового кода.
В исследовательских целях ученые создали штаммы бактерий, которые содержали как встречающийся в природе геном Caulobacter, так и сегменты нового искусственного генома. Отключив определенные естественные гены у этих бактерий, исследователи смогли проверить функции искусственных генов. Они протестировали каждый из искусственных генов в ходе многоэтапного процесса.
В этих экспериментах исследователи обнаружили, что только около 580 из 680 искусственных генов были функциональными. «Однако с полученными знаниями мы сможем улучшить наш алгоритм и разработать полностью функциональную версию генома 3.0», - говорит Бит Кристен.
Огромный потенциал биотехнологии
"Хотя текущая версия генома еще не совершенна, наша работа, тем не менее, показывает, что биологические системы устроены настолько просто, что в будущем мы сможем разработать спецификации дизайна на компьютер в соответствии с нашими целями, а затем строить их», - говорит Матиас Кристен. И это может быть достигнуто сравнительно простым способом, как подчеркивает Бит Кристен: «То, что заняло десять лет с подходом Крейга Вентера, наша небольшая группа достигла с нашей новой технологией в течение одного года с производственными затратами 120 000 швейцарских франков.."
«Мы верим, что вскоре можно будет производить функциональные бактериальные клетки с таким геномом», - говорит Бит Кристен. Такое развитие имело бы большой потенциал. Среди возможных будущих применений - синтетические микроорганизмы, которые можно использовать в биотехнологии, например, для производства сложных фармацевтически активных молекул или витаминов. Эту технологию можно использовать универсально для всех микроорганизмов, а не только для Caulobacter. Другой возможностью может быть производство ДНК-вакцин.
"Какими бы многообещающими ни были результаты исследований и возможные применения, они требуют глубокого обсуждения в обществе целей, для которых может использоваться эта технология, и, в то же время, того, как можно предотвратить злоупотребления", говорит Бит Кристен. Пока неясно, когда будет произведена первая бактерия с искусственным геномом, но уже сейчас ясно, что ее можно и нужно будет разработать. «Мы должны использовать имеющееся у нас время для интенсивных дискуссий среди ученых, а также в обществе в целом. Мы готовы внести свой вклад в эту дискуссию, используя все ноу-хау, которыми мы обладаем».