Создание искусственного генома эукариот — новый интернациональный проект университета Джона Хопкинса в США. Звучит таинственно, однако на деле всё совсем наоборот. К участию в проекте приглашаются все желающие университеты мира — хромосом на всех хватит. Исследователи медленно, но верно воссоздают и совершенствуют геном дрожжей — самых изучаемых эукариот в мире. Зачем же был затеян этот проект и с какими трудностями сталкиваются ученые?
Синтетическая биология — достаточно новое направление в науке, которое обрело особенно громкий резонанс в 2010 году, когда в институте Крейга Вентера под руководством Гамильтона Смита был полностью синтезирован геном живого организма — бактерии Mycoplasma genitalium [1]. Позднее там же получили геном другой микоплазмы, M. mycoides, который потом «подсадили» бактерии M. capricolum с удаленной хромосомой. В результате M. capricolum трансформировалась в M. mycoides, а точнее сказать — перепрограммировалась [2]. Эти исследования подняли целую волну этических дискуссий — имеет ли человек право настолько вмешиваться в работу природы? Однако с точки зрения синтетической биологии ответ прост: жизнь — это молекулярный процесс, не имеющий никаких моральных ограничений на уровне клеток [3]. Конечно, с этим можно не соглашаться, но ученые вместо философских рассуждений пошли дальше и занялись уже геномом эукариот.
Несколько лет назад в журнале Science была опубликована сенсационная статья. В рамках проекта под названием Synthetic Yeast Genome Project 2.0 (Проект синтетического генома дрожжей 2.0), или Sc2.0, группа американских ученых под руководством Джефа Боеке (Jef Boeke) синтезировала первую искусственную хромосому представителя эукариот — Saccharomyces cerevisiae, то есть пекарских дрожжей [4, 5]. Тогда, в 2014 году, это была немного модифицированная хромосома 3 — synIII. Глобальная цель этой и последующих работ проекта заключалась в том, чтобы постепенно, шаг за шагом, создать искусственный эукариотический геном. И вот, в марте 2017 года участники этого проекта заявили о своем новом успехе: полностью смоделировано и синтезировано целых пять новых хромосом S. cerevisiae: synII, synV, synVI, synX и synXII [6]! Всего у дрожжей 16 хромосом, так что пять из шестнадцати — это почти треть дрожжевого генома. Впечатляет, не правда ли?
На самом деле ученые не просто воссоздали уже существующий геном дрожжей — они добавили в него усовершенствования. Геном эукариот находится в постоянном движении: нуклеотиды удаляются и добавляются, возникают делеции и дупликации. В этом повинны особые обитатели генома — так называемые мобильные генетические элементы (в основном транспозоны), которые могут перемещаться по ДНК дрожжей, изменяя ее структуру [7, 8]. Все эти нововведения и нововыведения генетических структур у S. cerevisiae — не что иное, как каприз эволюции [9]. Мы привыкли думать, что природа творит совершенных созданий, однако это не совсем так.
При создании первой синтетической хромосомы биологи ее значительно подправили: выбросили многие интроны и элементы, ответственные за нестабильность генома (гены тРНК, которые переселили на отдельную «хромосомку», и транспозоны), а также усовершенствовали генетический код, заменив стоп-кодоны TAG на TAA. В общем, потрудились на славу (см. врезку) и навели чистоту и порядок. Что же осталось после «генеральной уборки»?
Рисунок 1. Сборка синтетического генома.
Сборка синтетического генома — дело непростое (рис. 1). Геном конструируют методом последовательной сборки. Сначала синтезируют 3–6 фрагментов ДНК длиной около 10 тыс. пар нуклеотидов, которые in vitro соединяют между собой при помощи рестрикционных ферментов и лигазы в мегафрагменты: каждый фрагмент на концах содержит места связывания эндонуклеаз рестрикции, после разрезания фрагмента этими ферментами остаются непалиндромные выступы («липкие концы») для сшивания с предыдущим и последующим фрагментами. Далее сборка генома продолжается in vivo — последовательной заменой синтетическими мегафрагментами нативной хозяйской ДНК. Мегафрагменты ДНК (на рисунке — голубая, зеленая, фиолетовая, оранжевая и серая линии) встраиваются в хозяйский геном (черная линия) слева направо благодаря механизму гомологичной рекомбинации (черные Х). Правый конец каждого мегафрагмента, кроме последнего, содержит маркерный ген Ura3 либо Leu2 (красный и голубой треугольники). Это позволяет отбирать успешно трансформированные клетки — те, в чей геном новый мегафрагмент точно встроился (положительная селекция): без маркера клетки не росли бы в среде без урацила или лейцина. В процессе сборки маркеры чередуют: при гомологичной рекомбинации предыдущий маркер «переписывается» — замещается участком нового мегафрагмента, содержащего уже другой маркер. Последний мегафрагмент, «безмаркерный», должен стирать метку Ura3 с предпоследнего фрагмента, и тогда ведут уже отрицательную селекцию: клетки, содержащие ген Ura3, при добавлении 5-фтороротовой кислоты (5-fluoroorotic acid, 5-FOA) погибают, поскольку в них эта кислота превращается в токсическое вещество 5-фторурацил.
Искусственный геном прекрасно обеспечивал синтез всех тех белков, за которые отвечал исходно [10]. Это означает, что все удаленные элементы не были жизненно необходимыми, и без них клетка могла спокойно функционировать. Получается, в обновленном виде хромосомы не только продолжают исправно работать, но и обладают усовершенствованной конструкцией. А еще ученым с такой хромосомой гораздо проще работать [4]. Стоит задуматься, на сколько вопросов сможет ответить человек, когда научится управлять геномом эукариот. Зачем нужны транспозоны? Каков «прожиточный минимум» генов в геноме? Возможно ли создать синтетическое биологическое топливо [11]?
Рисунок Ольги Посух.
Однако, как и любое радостное событие в научной сфере, успешный синтез хромосом дрожжей поднял большое количество самых разных вопросов. И один из них — об этичности такого рода экспериментов. На данный момент создаются всего лишь хромосомы S. cerevisiae, и никакой опасности с точки зрения биоэтики в этом нет. Но синтетическая биология в целом находится в зоне риска. Что будет, если непреднамеренно будет создан искусственный живой организм? Этично ли это по отношению к нему? Готов ли человек взять на себя такую ответственность? Эти вопросы поднимает Президентская комиссия по биоэтике Соединенных Штатов Америки. Конечно, вряд ли ученые в ажиотаже своих исследований не заметят, как создадут монстра Франкенштейна, но действовать всё равно необходимо исключительно осторожно. Комиссия рекомендует ученым активно взаимодействовать с прессой, объясняя людям, что они делают и зачем. Научная группа Джефа Боеке так и поступает — их исследования широко обсуждаются журналистами. Например, в интернет-издании The Christian Science Monitor вышла статья об искусственной хромосоме сразу же после научной публикации данных [12].
Куда же ведут нас такого рода открытия? Что случится, когда мы сможем управлять геномом и совершенствовать собственную ДНК? Ответы на эти вопросы появятся только тогда, когда мы доживем непосредственно до этих событий. Но что бы ни случилось, стоит думать о хорошем, ведь, как известно, мысль материальна.
21.03.2017 Источник: biomolecula.ru Автор:Бозрова Светлана
