Научно-популярные новости и всякости от Кимури

10:55 

Кимури
В теорию эволюции не надо верить - ее надо знать
Изготовлена бактерия с синтетическим минимальным геномом

Сотрудники института Крейга Вентера сообщили о новом успехе на пути к созданию искусственных микроорганизмов с заданными свойствами. Используя разработанные ранее методы изготовления синтетических геномов и внедрения их в бактериальные клетки, исследователи создали жизнеспособную бактерию, геном которой содержит всего лишь 531 тысячу пар оснований и 473 гена — меньше, чем у любых существующих в природе микробов, способных к самостоятельному размножению. В ходе работы стало ясно, что современные знания об устройстве клетки и функциях генов всё еще недостаточны для проектирования геномов с чистого листа, поэтому без метода проб и ошибок обойтись пока не удается. Функции 149 из 473 генов «минимального генома» неизвестны: эксперименты показали, что эти гены необходимы для устойчивого роста бактерий, но что именно они делают, еще предстоит выяснить.

Крейг Вентер (John Craig Venter) и сотрудники созданного им института (J. Craig Venter Institute) сделали очередной важный шаг на пути к своей главной цели — созданию искусственных микробов с желаемыми свойствами.

К этой цели Крейг Вентер и его коллеги методично движутся уже более 20 лет, начиная с прочтения в 1995 генома бактерии Mycoplasma genitalium — организма, обладающего самым маленьким геномом из всех живых существ, способных к автономному размножению (внутриклеточные паразиты и облигатные симбионты вроде Nanoarchaeum не в счет, поскольку они пользуются для своего размножения услугами чужой клетки, что потенциально позволяет им уменьшать свой геном хоть до нуля).

У M. genitalium в геноме всего 583 тысячи пар оснований (п. о.) и 525 генов. Однако эта бактерия размножается по микробиологическим меркам очень медленно (удваивает свою численность за 16 часов), и экспериментировать с ней неудобно. Поэтому исследователи используют в качестве основного объекта другую микоплазму, Mycolasma mycoides. Ее геном вдвое больше, зато и размножается она в 16 раз быстрее.

Новое достижение Крейга Вентера и его команды основано на предыдущих революционных прорывах, о которых рассказано в новостях Первая в мире операция по пересадке генома позволила превратить один вид бактерий в другой («Элементы», 02.07.2007) и Создано первое живое существо с синтетическим геномом («Элементы», 25.05.2010). В обсуждаемой работе за основу был взят изготовленный ранее штамм с синтетическим геномом M. mycoides JCVI-syn1.0 (сокращенно syn1.0). Геном этой бактерии содержит 1 078 809 п. о. и почти не отличается от своего природного прототипа — генома диких M. mycoides, за исключением нескольких «водяных знаков» — последовательностей, в которых ученые зашифровали нуклеотидным кодом свои имена и адреса. По мнению Крейга Вентера, такие вставки делать необходимо, чтобы синтетических микробов всегда можно было отличить от натуральных.

Ключевым этапом на пути к проектируемым организмам является выявление минимального набора генов, необходимого для жизни клетки. Речь идет, конечно, о жизни в идеальных лабораторных условиях, но всё-таки о жизни автономной, то есть без помощи других живых клеток. Давно известно, что даже у бактерий с очень маленькими геномами, таких как M. genitalium, в идеальных и неизменных условиях многие гены оказываются избыточными. Следовательно, любой природный геном можно радикально сократить. Решение этой задачи не только даст будущим проектировщикам оптимальную отправную точку, но и позволит лучше разобраться в базовых принципах работы клетки. Именно эту цель и поставили перед собой авторы обсуждаемой статьи.

На первый взгляд задача кажется не такой уж сложной, но это обманчивое впечатление. Очевидный подход к ее решению — сравнить геномы множества разных микробов и найти гены, которые есть у всех без исключения. К сожалению, этот способ не работает: «минимальный набор», который удается выявить с его помощью, состоит примерно из 250 генов и явно недостаточен для жизни клетки. Дело в том, что многие важные функции могут с успехом выполняться разными, непохожими друг на друга генами. Поэтому в геноме каждого микроба есть гены, не являющиеся сверхконсервативными (то есть отсутствующие у многих других микробов), но при этом абсолютно необходимые. Как следствие, чтобы спроектировать минимальный геном, нужно либо в точности знать функцию каждого гена и полный набор необходимых для жизни функций, либо провести огромную экспериментальную работу по определению минимального набора генов методом проб и ошибок.

Сначала авторы попытались пойти первым путем и спроектировать минимальный геном чисто теоретически, понадеявшись, что наука уже накопила достаточно знаний о принципах работы живой клетки и о функциях генов. Расчет был, в частности, на то, что плохо изученные гены не являются жизненно важными.

Исследователи удалили из геномного текста «синтетической бактерии» syn1.0 всё то, что показалось им лишним на основе знаний, накопленных молекулярной биологией. Оставлены были только гены с установленными (и при этом жизненно важными) функциями, а также те, по которым имелись экспериментальные данные, свидетельствующие об их незаменимости.

Спроектированный таким способом «гипотетический минимальный геном» был изготовлен из синтетических олигонуклеотидов, собран воедино и внедрен в клетки микоплазм при помощи методов, описанных в новости Создано первое живое существо с синтетическим геномом («Элементы», 25.05.2010). Но фокус не удался: искусственный геном не смог обеспечить выживание клеток. Разделив его на восемь равных частей и проверив каждую по отдельности (в комбинации с 7/8 исходного генома syn1.0), авторы обнаружили, что только один из восьми фрагментов был спроектирован без фатальных ошибок, да и в нем тоже что-то не так, потому что клетки с этим фрагментом хоть и не погибали, но росли очень медленно.

Неудача заставила авторов пересмотреть своё мнение о степени развития современных биологических знаний и прибегнуть к старому доброму методу проб и ошибок. Раз за разом они синтезировали геномы с теми или иными отредактированными фрагментами, вставляли их в клетки и смотрели, что получится. К счастью, методы, разработанные для изготовления syn1.0 и впоследствии сильно улучшенные, наряду с усовершенствованной методикой транспозонного мутагенеза (см.: Transposon mutagenesis), позволили выполнить эту работу за обозримое время. Авторы сообщают, что сейчас на весь производственный цикл от компьютерного проекта до готового синтетического генома уходит меньше трех недель: почти в 100 раз меньше, чем ушло на создание первого синтетического генома, работа над которым завершилась в 2008 году.

Вместо попыток грубо поделить гены syn1.0 на «необходимые» и «избыточные» авторы разработали более тонкую классификацию, отражающую тот факт, что помимо абсолютно необходимых для жизни генов существует немало таких, без которых на первый взгляд можно обойтись, однако их удаление замедляет рост клеток, а если удалить сразу несколько таких «квази-необходимых» (quasi-essential) генов, клетка может вообще погибнуть.

Восемь восьмушек генома, спроектированные заново с учетом этого обстоятельства, оказались совместимыми с жизнью каждая по отдельности (то есть в комбинации с остальными семью восьмыми исходного генома syn1.0), но все вместе они снова оказались нежизнеспособными. На этот раз причина была в том, что некоторые необходимые функции выполняются двумя взаимозаменимыми генами, расположенными в разных восьмушках. В ходе индивидуальной проверки каждый из этих генов был классифицирован как «избыточный», потому что с его функцией успешно справлялся второй ген. Однако одновременное удаление обоих генов оказалось фатальным. Чтобы вычистить эти ошибки, ученым пришлось долго изучать методом транспозонного мутагенеза промежуточные штаммы, у которых несколько фрагментов генома было отредактировано, а остальные сохранены в исходном виде. Вылавливались гены неотредактированных частей, которые у таких штаммов стали незаменимыми, хотя не были таковыми у syn1.0. В итоге удалось составить список пар генов, из которых можно удалить один, но не оба.

Когда эта и многие другие трудности были наконец преодолены, на свет появился синтетический микроб syn3.0 (название syn2.0 досталось одному из промежуточных результатов работы) — обладатель самого маленького генома из всех клеточных форм жизни, способных к автономному размножению. Его геном — лучшее на сегодняшний день приближение к идеалу «минимального генома».
....
Продолжение по ссылке: elementy.ru/novosti_nauki/432720/Izgotovlena_ba...

@темы: Биология, Всякий хай-тек, Ссылки

Комментарии
2016-03-28 в 11:23 

Hazycat
Одна кошка – это ровно половина Вечности.
Круто ))

     

главная