Все последовательности ДНК исследованных учёными форм жизни хранятся в базе данных, принадлежащей Национальному центру биотехнологической информации в США. И 1 апреля в базе данных появилась новая запись: «Caulobacter ethensis-2.0». Это первый в мире полностью смоделированный на компьютере и затем синтезированный синтетический геном живого организма, разработанный учёными из ETH Zurich (Швейцарской высшей технической школы Цюриха). Однако следует подчеркнуть, что хотя геном C. ethensis-2.0 успешно был получен в виде большой молекулы ДНК, соответствующего живого организма пока ещё не существует.
Исследовательскую работу провели Бит Кристен, профессор экспериментальной системной биологии, и его брат Маттиас Кристен — химик. Новый геном, названный Caulobacter ethensis-2.0, был создан путем очистки и оптимизации естественного кода бактерии Caulobacter crescentus — безвредной бактерии, живущей в пресной воде по всему миру.
Более десяти лет назад команда под руководством генетика Крейга Вентера создала первую «синтетическую» бактерию. В ходе своей работы учёные синтезировали копию генома Mycoplasma mycoides, затем он был имплантирован в клетку-носитель, которая после этого оказалась полностью жизнеспособной и сохранила способность к самовоспроизведению.
Новое исследование продолжает работу Крейгера. Если ранее учёные создали цифровую модель ДНК реального организма и на её основе синтезировали молекулу, новый проект идёт дальше, используя оригинальный код ДНК. Учёные значительно переработали его, прежде чем синтезировать и проверить работоспособность.
Исследователи начали с оригинального генома C. crescentus, который содержит 4000 генов. Как и у любых живых организмов, большая часть этих генов не несёт никакой информации и является «мусорной ДНК». После проведённого анализа учёные пришли к выводу, что только около 680 из них необходимы для поддержания жизни бактерии в лаборатории.
После удаления «мусорной ДНК» и получения минимального генома C. crescentus команда продолжила работу. Для ДНК живых организмов характерно наличие встроенной избыточности, заключающейся в том, что синтез одного и того же белка кодируется различными генами в нескольких участках цепи. Исследователи заменили более 1/6 из 800 000 букв ДНК в ходе оптимизации по удалению дублирующего кода.
«Благодаря нашему алгоритму мы полностью переписали геном в новую последовательность букв ДНК, которая больше не похожа на исходную», — говорит Бит Кристен, соведущий автор исследования. «При этом биологическая функция на уровне синтеза белка осталась без изменений».
Чтобы проверить, будет ли полученная цепочка работать должным образом в живой клетке, исследователи вырастили штамм бактерий, которые имели в своём ДНК как естественный геном Caulobacter, так и сегменты искусственного генома. Учёные выключали отдельные естественные гены и проверяли способность их искусственных аналогов выполнять ту же биологическую роль. Результат оказался достаточно впечатляющим: около 580 из 680 искусственных генов оказались работоспособными.
«Благодаря полученным знаниям мы сможем улучшить наш алгоритм и разработать новую версию генома 3.0», — говорит Кристен. «Мы полагаем, что в ближайшем будущем создадим живые бактериальные клетки с полностью синтетическим геномом».
На первой стадии такие исследования помогут генетикам проверить верность своих познаний в области понимания ДНК и роли отдельных генов в нём, так как любая ошибка в синтезе цепочки приведёт к тому, что организм с новым геномом погибнет или будет неполноценным. В будущем же они приведут к появлению синтетических микроорганизмов, которые будут создаваться для заранее определённых задач. Искусственные вирусы смогут бороться с их естественными сородичами, а специальные бактерии будут производить витамины или лекарства.
Исследование было опубликовано в журнале PNAS.