24 апреля 1996 года ученые сообщили в журнале Science, что им удалось впервые секвенировать геном эукариотических организмов — дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Вся ДНК этих одноклеточных грибов содержится в 16 хромосомах и в совокупности состоит из 12 миллионов пар оснований. На это потребовалось 12 лет и усилия сотни лабораторий.
В 2000-х годах в науке возникло новое направление — синтетическая биология. Исследователи, работающие в этой сфере, создают в лабораториях различные системы из белков и нуклеиновых кислот, чтобы в конечном итоге получить искусственный организм. Один из разделов синтетической биологии — синтетическая геномика, посвященная попыткам заново собрать геномы, которые послужат основой для будущих живых «синтетиков».
Природа ошибается
В 2011 году американские ученые из Университета Джонса Хопкинса под руководством Джефа Боке (Jef Boeke) запустили проект по созданию синтетического генома (Synthetic Yeast Genome Project). Его цель — получение новой версии генома пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae — Sc2.0. Почему именно дрожжей? Не только потому, что у этих эукариотов сравнительно маленький геном. Важно, что S.cerevisiae — один из самых изученных организмов на планете, и ученым известно, какие функции выполняют те или иные гены в клетках. Эти знания необходимы для того, чтобы построить «улучшенный» геном дрожжей.
На самом деле геномы эукариотов далеки от идеала. Мало того что ДНК подвержена таким мутациям, как вставки и выпадения (делеции) нуклеотидов, удвоения участков или изменения структуры хромосом. В ней также могут присутствовать неработающие гены (псевдогены) и мобильные генетические элементы (ретротранспозоны), способные самовоспроизводиться и распространяться по всему геному.
Конечно, изменения в ДНК приводят к возникновению новых свойств и признаков у организмов, однако эволюция, двигателем которой служат случайные процессы, не следует принципам экономии и эффективности. В результате большая часть генома эукариотов состоит из ДНК, которая либо «мертва», либо занимается бесполезным для клетки самокопированием. Кроме того, из-за большого количества повторяющихся последовательностей геном теряет в стабильности, что делает его более подверженным мутациям. В отличие от природы, ученые могут целенаправленно перестраивать геномы так, чтобы оставалась только необходимая для жизнедеятельности ДНК.
Версия 2.0
В новой работе в рамках проекта Sc2.0 ученые синтезировали несколько хромосом S.cerevisiae, убрав из них все транспозоны, повторяющиеся последовательности ДНК и множество интронов — некодирующих белки участков гена. Более того, они перекодировали кодоны TAG — короткие фрагменты ДНК, состоящие из трех нуклеотидов (T, A и G). Дело в том, что в процессе транскрипции, когда на основе гена синтезируется матричная РНК (мРНК), TAG-кодоны конвертируются в UAG-кодоны (T заменяется на U). При синтезе белка мРНК проходит через рибосомы, а UAG служит стоп-сигналом, прерывающим процесс. Исследователи изменили TAG на TAA, который конвертируется в другой стоп-кодон — UAA.
Какой в этом смысл? Всего существует три стоп-кодона — UAG, UAA, и UGA. Однако процесс синтеза белка не прервется без наличия одного из двух белков, называемых факторами терминации трансляции, — RF1 и RF2. При этом RF1 «обслуживает» кодоны UAA и UAG, а RF2 — UAA и UGA. Если превратить все UAG в UAA, клетка уже не будет зависеть от RF1.
Еще одна модификация касается транспортных РНК (тРНК). Эти молекулы участвуют в синтезе белков и подобно грузовикам «подвозят» необходимые аминокислоты к растущей полипептидной цепи. Последовательности тРНК закодированы в генах, расположенных на разных хромосомах. Ученые переместили гены со своих мест в специально созданную хромосому, кодирующую только тРНК.
Природные хромосомы на искусственные очень трудно заменить в один шаг. Ученые воспользовались процессом гомологичной рекомбинации, когда происходит обмен фрагментами между похожими ДНК. Шаг за шагом исследователи заменяли участки хромосом длиной в 30-60 тысяч нуклеотидов. Разными хромосомами занимались разные лаборатории. В конце концов были получены отдельные штаммы дрожжей, в каждом из которых была заменена одна из хромосом. Для их объединения в одном организме штаммы скрещивали друг с другом.
Таким образом удалось создать дрожжи, чей геном на одну треть является синтетическим. По оценкам авторов работы, всего на проект Sc2.0 может быть потрачено более миллиона долларов.
Для чего это надо
Ученые, занимающиеся синтетической геномикой, преследуют две цели. Во-первых, подробнее изучить функции хромосом, значение организации генома, других процессов, связанных с ДНК, а также влияние эволюционных процессов.
Во-вторых, исследования в этой области позволят создавать организмы с нужными свойствами. Например, ученые могут получить сообщества искусственных бактерий-биофабрик, производящих биотопливо или новые антибиотики. Последнее особенно актуально, поскольку в мире все большее распространение получают микроорганизмы, устойчивые к антибактериальным препаратам. Кроме того, синтетические существа способны выживать в таких экстремальных условиях, как шахтные воды, очищая их от тяжелых металлов и других загрязняющих веществ.
