Искусственный геном — направление в биологических исследованиях, связанное с генетической модификацией существующих организмов с целью создания организмов с новыми свойствами. В отличие от генной инженерии , искусственный геном состоит из генов, синтезированных химическим путём.

Предполагается, что в перспективе могут быть созданы искусственные геномы не на основе ДНК или с использованием другого набора нуклеотидов и других принципов кодирования, чем в естественных геномах. Таким образом, создание искусственных геномов — одно из направлений синтетической биологии .

При этом следует понимать, что пока речь идет о синтезе генов с естественными генетическими кодами или их небольшими модификациями . Можно синтезировать искусственный ген , кодирующий любой наперед заданный полипептид , но при этом пока невозможно спроектировать принципиально новый полипептид так, чтобы он хотя бы свернулся в белковую глобулу , не говоря уже о том, чтобы получившийся белок начал функционировать как фермент .

В настоящее время высшим достижением в области создания искусственного генома является синтез хромосомы бактерии Mycoplasma mycoides , осуществлённый Крейгом Вентером в 2010 году.

Искусственная хромосома Крейга Вентера (2010 год)

В 2010 году сотрудникам (англ.) (удалось искусственно синтезировать циклическую хромосому бактерии Mycoplasma mycoides размером 1 077 947 нуклеотидных пар . Хромосома была имплантирована в клетку бактерии Mycoplasma capricolum , после деления которой образовалась клетка, полностью управляемая искусственным геномом.

Этот искусственный геном ныне известен под кодовым обозначением JCVI-syn1.0. Он практически полностью повторяет геном одного из штаммов бактерии Mycoplasma mycoides , за исключением нескольких искусственно внедрённых генетических маркеров ( англ. watermark, водяные знаки), нескольких удалённых в процессе синтеза незначимых генов и 19 мутаций, возникших в процессе сборки фрагментов ДНК . Клетки с искусственным геномом нормально функционируют и способны к многократным делениям.

В 2023 году опубликованы данные о том, что за две тысячи поколений они восстановили приспособляемость к внешним условиям, но не смогли увеличиться в размерах.

Предыстория

Начало работам по искусственному геному положили работы Фредерика Сэнгера и его сотрудников, которым в 1977 году удалось установить полную нуклеотидную последовательность генома бактериофага φX174 длиной 5375 нуклеотидных пар . 18 лет спустя, в 1995 году , группа Крейга Вентера впервые секвенировала геном самовоспроизводящегося организма — бактерии Haemophilus influenzae длиной 1 830 137 пар .

За последние 25 лет (1985—2010 годы) скорость секвенирования генома увеличилась как минимум на 8 порядков. Лавинообразное увеличение количества организмов, геном которых был прочитан, породило проблему понимания биологической роли каждого гена в организме. До последнего времени было неясно, содержит ли геном полную информацию о строении организма, и будет ли жизнеспособен организм с химически синтезированным геномом. Другой вопрос, стоявший перед молекулярной биологией, заключался в том, являются ли геномы бактерий минимально необходимыми и каков минимальный набор генов, способный создать живую клетку.

Минимальный геном

В 1996 году Аркадий Мушегян и Евгений Кунин ( Национальный центр биотехнологической информации , США ) предположили, что 256 ортологичных генов, общих для грамотрицательной бактерии Haemophilus influenzae и грамположительной Mycoplasma genitalium , являются хорошим приближением к минимальному набору генов бактериальной клетки . В 2004 году группа исследователей из университета Валенсии ( Испания ) предложила набор из 206 кодирующих белки генов, полученный в результате анализа нескольких бактериальных геномов .

Учёные из группы Крейга Вентера занимались созданием организма с минимальным искусственно синтезированным геномом, начиная с 1995 года . В 1995 году они секвенировали геном возбудителя заболеваний мочеполовой системы человека Mycoplasma genitalium — минимальный среди известных к настоящему времени организмов, способных к самовоспроизведению. Этот микроорганизм содержит 517 генов, из которых 482 кодируют белки . Полный объём генома составляет 580 тыс. нуклеотидных пар. К 1999 году , анализируя расположение транспозонов в секвенированных геномах, удалось установить, что жизненно необходимыми для организма являются от 265 до 350 генов и более 100 генов имеют неизвестное назначение . Дальнейшие исследования к 2005 году расширили список жизненно необходимых генов до 382 .

В дальнейшем были обнаружены прокариотические геномы ещё меньшего размера, но все они принадлежат облигатным симбионтам — не способным к автономному существованию организмам.

В 2003 году был секвенирован геном Nanoarchaeum equitans размером 490 885 пар . Установлено также, что несеквенированный геном вида Buchnera имеет длину около 450 тыс. пар .

Наименьший из расшифрованных к настоящему моменту бактериальных геномов — геном внутриклеточного эндосимбионта листоблошек бактерии Carsonella , состоящий из 159 662 нуклеотидных пар и содержащий всего 182 гена, кодирующих белки. Этот геном был секвенирован японскими исследователями в 2006 году .

Синтез генома Mycoplasma genitalium (2008 год)

Группой Крейга Вентера была разработана технология синтеза больших молекул ДНК на основе химически синтезированных фрагментов размером 5—7 тыс. пар, называемых кассетами ( англ. cassette). Объединение фрагментов происходило частично in vitro при помощи соответствующих ферментов , частично путём рекомбинации in vivo в дрожжевой клетке Saccharomyces cerevisiae . Полный синтетический геном успешно клонировался как центромерная плазмида (YCp) в клетках дрожжей .

Предпринятая в 2008 году первая попытка создания искусственного генома заключалась в синтезе хромосомы Mycoplasma genitalium длиной 582 970 пар. Перекрывающиеся кассеты размером 5—7 тыс. пар, собранные из химически синтезированных полинуклеотидов, последовательно объединялись при помощи ферментов во фрагменты размером 24, 72 и 144 тыс. пар (1/24, 1/8 и 1/4 генома соответственно). Полная сборка генома из четырёх составляющих осуществлена рекомбинацией в клетке Saccharomyces cerevisiae . Секвенирование полученной хромосомы подтвердило точность синтеза. В качестве прототипа использовалась бактерия M. genitalium подвида G37 (образец MG408), патогенная активность которой была блокирована специальным маркером. Для идентификации искусственного генома в ДНК были внедрены нуклеотидные последовательности, называемые «водяными знаками» ( англ. watermark) .

Определённые трудности возникли при переносе синтетической хромосомы из клетки-донора (дрожжи) в клетку-реципиент. Отдельной проблемой было удаление из бактериальной клетки исходного генома для замены его синтетическим.

В дальнейших экспериментах от бактерий M. genitalium в качестве генетического прототипа пришлось отказаться из-за характерной для них чрезвычайно низкой скорости роста. В исследованиях, проведённых в 2010 году, в качестве прототипа использовался геном Mycoplasma mycoides подвида capri (GM12), а в качестве реципиента — Mycoplasma capricolum подвида capricolum (CK).

В целях отработки технологии переноса хромосом из клетки дрожжей в клетку-реципиент были разработаны методы клонирования целых хромосом в виде дрожжевых центромерных плазмид. В качестве объекта экспериментов использовалась естественная хромосома M. mycoides . Однако первые попытки переноса хромосомы M. mycoides в клетку M. сapricolum окончились неудачей. Как выяснилось, проблема состояла в системе рестрикции бактериальных клеток. Системы рестрикции M. mycoides и M. сapricolum одинаковы, в них ДНК метилирована, и при непосредственном переносе хромосомы из одной клетки в другую проблем не возникает . ДНК, клонированная в дрожжах, не метилирована и при переносе в M. сapricolum подвергается уничтожению со стороны системы рестрикции. Во избежание этого донорская ДНК метилировалась очищенной или экстрактом из M. mycoides или M. сapricolum , либо система рестрикции клетки-реципиента просто разрушалась .

Синтез генома Mycoplasma mycoides (2010 год)

Вторая попытка синтезировать бактериальный геном была предпринята в 2010 году. В качестве прототипа была выбрана хромосома бактерии Mycoplasma mycoides (подвид capri GM12) объёмом 1,08 млн нуклеотидных пар. Этот искусственный геном получил кодовое обозначение JCVI-syn1.0. Для работы были использованы два генома: CP001621 (база данных GenBank ), секвенированный группой Дж. Гласса из Института Крейга Вентера в 2007 году , и трансгенный геном CP001668 , секвенированный группой Кэрол Лартик в 2009 году . На базе образца CP001621 были синтезированы кассеты, использованные для дальнейшего синтеза. По окончании секвенирования образца CP001668 была произведена сверка, обнаружившая различия в 95 фрагментах. Различия, признанные биологически значимыми, были скорректированы в уже синтезированных кассетах. 19 различий, не влияющих на жизнедеятельность бактерии, оставлены без изменений. В четырёх областях генома, которые не являются жизненно важными, сформированы 4 метки WM1—WM4 длиной 1246, 1081, 1109 и 1222 пар соответственно. Полученная генная последовательность M. mycoides JCVI syn1.0 была занесена в базу GenBank под кодом CP002027 .

См. также

• ДНК-компьютер

Примечания

Ссылки

• — A 2004 study completed for the DOE on the subject.

• Patrick F. Suthers, Madhukar S. Dasika, Vinay Satish Kumar, Gennady Denisov, John I. Glass, et al. (англ.) // PLoS Computational Biology : journal. — February 2009. — Vol. 5 , no. 2 . — P. 1—14 . — doi : .
• Helena B. Thomaides, Ella J. Davison, Lisa Burston, Hazel Johnson, David R. Brown, et al. (англ.) // (англ.) (: journal. — January 2007. — Vol. 189 , no. 2 . — P. 591—602 . — doi : .

• .

• Elizabeth Pennisi . ScienceNOW, 24 January 2008.

• Nicholas Wade . New York Times, May 20, 2010.

• Elizabeth Pennisi. (англ.) // Science. — 21 May 2010. — Vol. 328 . — P. 958—959 .

• . Science Daily, January 24, 2008.

• Michael A. Fisher, Kara L. McKinley, Luke H. Bradley, Sara R. Viola, Michael H. Hecht. (англ.) // PLOS one : journal. — January 4, 2011. — Vol. 6 . — P. 1—9 .

• Yorke Zhang, Brian M. Lamb, Aaron W. Feldman, Anne Xiaozhou Zhou, Thomas Lavergne, Lingjun Li and Floyd E. Romesberg. (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — January 23, 2017.

• Guillaume Mercy, Julien Mozziconacci, Vittore F. Scolari, Kun Yang, Guanghou Zhao, Agnès Thierry, Yisha Luo... 3D organization of synthetic and scrambled chromosomes (англ.) // Science : journal. — 10 Mar 2017. — Vol. 355 , no. 6329 . — P. . — doi : .

• .