Синтетические биологи и их игры в создание искусственных геномов привели к появлению не существующих в природе организмов, ДНК которых содержит лишь минимально необходимый набор генов. Идеальный код. Без единой лишней строчки.
Участники
Джордж Чёрч, профессор Гарвардского университета и Массачусетского технологического института. Разработал несколько революционных методов секвенирования ДНК, внес большой вклад в создание ГМ-технологий с использованием CRISPR/Cas9. В 2015 году успешно пересадил гены шерстистых мамонтов в ДНК современных слонов. Крейг Вентер, президент собственного института генетики. Руководил независимым проектом по чтению ДНК человека. В 2010 году продемонстрировал живую клетку с искусственным геномом: ее ДНК не собиралась из фрагментов, выделенных из других клеток, а синтезировалась в лаборатории.
Цель игры
Клетки — это основа жизни. Они содержат наследственную информацию в виде молекул ДНК, совокупность которых называют геномом. Геном определяет, какие молекулы клетка будет производить, как она будет делиться, какие химические реакции осуществлять. Некоторые из этих функций универсальны: способности удваивать свою ДНК и синтезировать белки, делиться, поглощать вещества из окружающей среды и формировать мембрану нужны почти любой клетке.
Другие задачи специализированы и часто связаны с приспособлением к конкретным условиям жизни. Например, бактерии могут иметь гены, обеспечивающие защиту от антибиотиков, а могут и не иметь, если она им не нужна. Клетки многоклеточных организмов содержат в геноме инструкции, позволяющие им кооперироваться и взаимодействовать, организовываться в пространстве и специализироваться, формируя сложные ткани и органы. Участки ДНК, регулирующие эти процессы, часто не нужны отдельным клеткам, но необходимы для функционирования целого организма.
Задача, которую решают наши игроки, состоит в том, чтобы установить минимальный набор генов, необходимый клетке. Такой организм должен содержать полный комплект инструкций, позволяющих ему поддерживать свое существование и делиться — но ничего сверх этого. Только самое нужное.
Решение этой задачи важно по трем причинам. Во-первых, мы сможем лучше понять, как работают клетки. Во-вторых, получим удобную модель для изучения генов и их функций. В-третьих, «минимальный» организм можно будет адаптировать для синтеза какого-нибудь лекарства, биотоплива или другого нужного соединения. Лишенный лишних генов организм не будет тратить время и ресурсы на их работу и копирование, став более эффективным производителем.
Игровое поле
Размеры генома могут быть очень разными, и со сложностью самого организма прямо они не связаны. ДНК круглых червей Caenorhabditis elegans включает 97 млн нуклеотидов и примерно 20 000 генов. Геном человека куда более громоздкий — 3 млрд нуклеотидов, но кодирующих белки генов у нас немногим больше, чем у нематоды, всего 20−25 тысяч. Но бывают организмы с еще более «раздутыми» геномами. Например, у двоякодышащей рыбы Protopterus aethiopicus он в 40 раз больше, чем у человека. Такой разброс в размерах во многом объясняется тем, что кроме важных генов ДНК накапливает массу лишнего и ненужного. Еще в 2004 году были получены мыши, из генома которых вырезаны весьма обширные «пустые» фрагменты ДНК — в 1,5 и в 0,8 млн нуклеотидов. Такие животные ничем не отличались от своих обычных родственников, нормально развивались и оставляли здоровое потомство.
Самыми «экономичными» геномами могут похвастаться вирусы, бактерии и археи. Среди последних рекордсменом остаются живущие в горячих источниках Nanoarchaeum equitans, ДНК которых сложена всего из 490 000 нуклеотидов и содержит ровно 5408 генов. Один из самых компактных геномов бактерий принадлежит паразитическим Mycoplasma genitalium: 580 000 нуклеотидов и смешные 475 генов, кодирующих белки. Жаль, что эти микробы размножаются чересчур медленно и не слишком удобны для исследований. Впрочем, у них есть близкие и быстрорастущие родственники Mycoplasma mycoides с примерно вдвое большим геномом и количеством генов. ДНК именно этой бактерии выбрал Крейг Вентер для дальнейшей «оптимизации».
Ход Вентера
В 2010 году командой Вентера была получена синтетическая копия генома M. mycoides. Ученые перенесли ее в клетку, из которой заранее была удалена собственная ДНК; полученная микоплазма нормально делилась и функционировала. Именно эту работу сотрудники американского журнала Newsweek окрестили «Игрой в бога». Но если это была игра, то в 2016 году Вентер «переиграл» Создателя, сократив исходный геном микоплазмы уже примерно вдвое — и снова получив совершенно жизнеспособные клетки.