C. этенсис-2.0 основан на геноме хорошо изученной и безвредной пресноводной бактерии Caulobacter crescentus, которая является естественной бактерией, встречающейся в родниковой воде, реках и озерах по всему миру. 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 видов в лаборатории. Бактерии с таким минимальным геномом жизнеспособны в лабораторных условиях.
Бит Кристен, профессор экспериментальной системной биологии в ETH Zurich, и его брат, Маттиас Кристен, химик из ETH Zurich, взяли минимальный геном C. полумесяц как отправная точка. Они намеревались химически синтезировать этот геном с нуля в виде непрерывной кольцевой хромосомы.
Ранее такая задача рассматривалась как настоящая демонстрация силы: химически синтезированный бактериальный геном, представленный одиннадцать лет назад американским пионером генетики Крейгом Вентером, стал результатом десяти лет работы 20 ученых, согласно сообщениям СМИ. 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 их геном с помощью компьютерного алгоритма. Их мотивация была двоякой: во-первых, чтобы упростить создание геномов, и во-вторых, для решения фундаментальных вопросов биологии.
Чтобы создать молекулу ДНК размером с геном бактерии, ученые должны действовать поэтапно. В случае генома Caulobacter ученые из ETH Zurich синтезировали 236 сегментов генома, которые впоследствии они соединили вместе. «Синтез этих сегментов не всегда прост», – объясняет Матиас Кристен. «Молекулы ДНК не только обладают способностью прилипать к другим молекулам ДНК, но, в зависимости от последовательности, они также 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 объединить все сегменты наиболее оптимальным образом, 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) существует две, четыре или даже больше возможностей записать информацию о них 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 множество небольших модификаций в минимальный геном, которые в целом впечатляют: было заменено более шестой части всех 800 000 букв ДНК в искусственном геноме по сравнению с «естественным» минимальным геномом. геном. "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.
Лакмус-тест на генетику
Переписанный геном интересен и с биологической точки зрения. «Наш метод – это лакмусовая бумажка, чтобы увидеть, правильно ли мы, биологи, понимаем генетику, и он позволяет нам выявить возможные пробелы в наших знаниях», – объясняет Бит Кристен. Естественно, перезаписанный геном может содержать только ту информацию, которую исследователи действительно поняли. Возможная «скрытая» дополнительная информация, которая находится в последовательности ДНК и еще не понята учеными, была бы потеряна в процессе создания нового кода.
Для исследовательских целей ученые создали штаммы бактерий, которые содержали как естественный 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 многоэтапном процессе.
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
«Несмотря на то, что текущая версия генома еще не идеальна, наша работа, тем не менее, показывает, что биологические системы построены таким простым способом, что в будущем мы сможем разработать спецификации дизайна на компьютере в соответствии с нашими целями. ", – говорит Матиас Кристен.
И это можно сделать сравнительно простым способом, как подчеркивает Бит Кристен: «То, что потребовалось десять лет с подходом Крейга Вентера, наша небольшая группа достигла с нашей новой технологией в течение одного года с производственными затратами в 120000 швейцарских франков."
«Мы полагаем, что вскоре появится возможность производить функциональные бактериальные клетки с таким геномом», – говорит Бит Кристен. Такое развитие имеет большой потенциал. Среди возможных будущих применений – синтетические микроорганизмы, которые могут быть использованы в биотехнологии для производства сложных фармацевтически активных молекул или витаминов, например. Технология может применяться повсеместно для всех микроорганизмов, а не только для Caulobacter.
Другая возможность – производство ДНК-вакцин.
«Какими бы многообещающими ни были результаты исследований и возможные применения, они требуют глубокого обсуждения в обществе целей, для которых эта технология может быть использована, и в то же время о том, как можно предотвратить злоупотребления», – говорит Бит Кристен.
Пока не ясно, когда будет получена первая бактерия с искусственным геномом, но теперь ясно, что она может и будет разработана. «Мы должны использовать имеющееся у нас время для интенсивных дискуссий между учеными, а также в обществе в целом. Мы готовы внести свой вклад в это обсуждение, используя все ноу-хау, которыми мы располагаем."