Caulobacter crescentus – безопасная бактерия, живущая в пресной воде по всему миру

Все известные геномы организмов хранятся в базе данных, принадлежащей Национальному Центру Биотехнологической Информации в США. Сейчас в базе данных есть запись: Caulobacter ethensis-2.0. Это первый в мире полностью компьютерный геном живого организма, разработанный учёными из ETH Zurich. Нужно подчеркнуть, что, хотя геном Caulobacter ethensis-2.0 был физически получен в форме очень большой молекулы ДНК, соответствующий организм ещё не существует.

Caulobacter ethensis-2.0 основан на геноме хорошо изученной и безопасной пресноводной бактерии Caulobacter crescentus, которая встречается в природе в родниковой воде, реках и озёрах по всему земному шару. Не вызывает никаких заболеваний. Caulobacter crescentus также является модельным организмом, обычно используемым в исследовательских лабораториях в целях изучения жизни бактерий. Геном этой бактерии содержит 4000 генов. Учёные ранее показали, что лишь примерно 680 из этих генов имеют решающее значение в выживании бактерии в лаборатории.

Бит Кристен, профессор экспериментальной системной биологии в ETH Zurich, и его брат Маттиас Кристен, химик в ETH Zurich, взяли минимальный геном Caulobacter crescentus в качестве базы. Они намеревались химически синтезировать этот геном с нуля как непрерывную кольцевую хромосому. Эта задача считается реально сложной: химически синтезированный бактериальный геном, представленный 11 лет назад американским пионером генетики Крейгом Вентером, стал результатом 10 лет работы 20 учёных. Говорят, что стоимость проекта составила 40 миллионов долларов.

Рационализация сборочного процесса

В то время как группа Вентера сделала точную копию естественного генома, учёные из ETH Zurich радикально изменили геном, используя компьютерный алгоритм. Их мотивация была двоякой: одна – чтобы было намного проще синтезировать геномы, и вторая – решение фундаментальных проблем биологии.

Чтобы создать молекулу ДНК размером с бактериальный геном, учёные должны действовать шаг за шагом. В случае генома Caulobacter учёные из ETH Zurich синтезировали 236 фрагментов генома, которые они впоследствии сшили. «Синтез этих фрагментов не всегда прост», – объясняет Матиас Кристен. «Молекулы ДНК не только обладают способностью прилипать к иным молекулам ДНК, но в зависимости от последовательности они также могут скручиваться в петли и узлы, что может усложнить процесс синтеза или сделать его невозможным», – объясняет Матиас Кристен.

Упрощённые геномы

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

Алгоритм, разработанный учёными из ETH Zurich, оптимально использует эту избыточность генетического кода. Используя этот алгоритм, они вычислили наиболее экономичную последовательность ДНК в целях синтеза и конструирования генома, которую они и использовали в своей работе.



Геном Caulobacter ethensis-2.0 в пробирке

В результате учёные внесли много небольших изменений в минимальный геном, что, впрочем, впечатляет: более шестой части из 800 000 букв ДНК в искусственном геноме были заменены по сравнению с «естественным» минимальным геномом. «Благодаря нашему алгоритму мы полностью переписали наш геном в новую последовательность букв ДНК, которая больше не похожа на исходную последовательность. Однако биологическая функция на уровне белка сохранилась», – говорит Бит Кристен.

Лакмусовая бумажка в генетике

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 высветить возможные пробелы в наших знаниях», – объясняет Бит Кристен. Естественно, переписанный геном может содержать лишь информацию, которую исследователи реально поняли. Возможная «скрытая» лишняя информация, которая находится в последовательности ДНК и ещё не понята учёными, была бы потеряна в процессе синтеза нового кода.

Учёные вырастили штаммы бактерий, которые содержали как природный геном Caulobacter, так и фрагменты нового искусственного генома. Отключив некоторые естественные гены в этих бактериях, учёные смогли проверить функции искусственных генов. Они проверили каждый из искусственных генов в многоступенчатом процессе.

В этих экспериментах учёные обнаружили, что лишь около 580 из 680 искусственных генов были функциональными. «Получив знания, мы сможем улучшить наш алгоритм и разработать полнофункциональную версию генома 3.0», – говорит Бит Кристен.

Гигантский потенциал в биотехнологии

«Несмотря на то, что текущая версия генома ещё 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 получено сравнительно простым способом, как подчёркивает Бит Кристен: «На что ушло десять лет у Крейга Вентера, наша небольшая группа выполнила при помощи нашей новой технологии в течение года с затратами лишь 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, в синтезе сложных фармацевтически активных молекул или витаминов. Технология может применяться универсально у всех микроорганизмов, а не только у Caulobacter. Иной возможностью было бы производство ДНК-вакцин.

«Какими бы многообещающими ни были результаты исследований и их возможные применения, они требуют глубокого понимания целей, для которых эта технология может быть использована, и в то же время, как можно предотвратить злоупотребления», – говорит Бит Кристен. Ещё не ясно, когда будет получена первая бактерия с искусственным геномом, но теперь ясно, что она может быть получена и будет развиваться. «Нам нужно использовать время, которое у нас есть, в целях интенсивных дискуссий между учёными, а также в обществе в целом. Мы готовы внести свой вклад в эту дискуссию со всеми имеющимися у нас ноу-хау».