Синтетический геном

20-21 мая эту новость передавали все главные мировые телеканалы: в США ученым впервые удалось создать организм с синтетическим геномом. Это одноклеточное существо исследователи нежно назвали "Синтия". Буквально за пару дней жизни Синтия размножилась делением, достигнув количества в один миллиард экземпляров. Впрочем, для бактерии, попавшей в практически идеальные лабораторные условия (отсутствие врагов/конкурентов и неограниченное питание), это вполне нормально. Но насколько это нормально для человечества в целом?

Кто и с чем работал

Автор научной сенсации - Крейг Вентер, создатель института Крейга Вентера, в котором работает целый коллектив ученых-единомышленников. Как сообщил телеканал Euronews, на создание "Синтии" было потрачено в общей сложности 10 лет и более 30 млн евро. Замечу, что это достаточно небольшая сумма для такого рода работы.

Ученые под руководством Крейга Вентера работали с культурами бактерий рода Mycoplasma. Микоплазмы считаются наиболее простыми самостоятельно воспроизводящимися живыми организмами на нашей планете. Объём их генетической информации в четыре раза меньше, чем у кишечной палочки (Escherichia coli) - классического объекта генетических исследований.

Кроме того, микоплазмы - прокариоты. То есть у них нет четко оформленного клеточного ядра, и генетический материал равномерно распределен внутри клетки в цитоплазме. Это весьма упрощает работу ученых - работать с клеточным ядром невероятно сложно. Автору этих строк на лабораторных работах в университете так ни разу и не удалось отделить от клеток целое клеточное ядро. Впрочем, никому в нашей группе не удалось.

Кроме того, микоплазмы отличаются от остальных бактерий отсутствием жёсткой клеточной стенки - от внешней среды их отделяет только цитоплазматическая мембрана.

Схема работы

Схема эксперимента выглядит следующим образом. Первоначально ученые определили полную геномную последовательность ДНК Mycoplasma mycoides. Затем этот геном был воссоздан "in vitro" ("в пробирке"), полностью искусственно, то есть чисто химическими методами, без участия живых организмов (если не считать таковыми самих ученых). Далее синтетическая ДНК была помещена в клетки бактерии Mycoplasma capricolum, из которых предварительно был удален собственный геном. Клетка начала делиться, и вскоре исследователи удостоверились, что полученный организм обладает всеми свойствами M. mycoides.

Понятно, что в данном случае ученые ничего нового не создали - они просто аккуратно, шаг за шагом, на молекулярном уровне повторили действия живой природы. И поняли: их методы работают, технологии позволяют манипулировать ДНК на уровне нуклеотидных пар. Фактически это позволяет "по кирпичику", шаг за шагом, создать совершенно новый, не существующий в природе геном. Впрочем, к этому моменту я еще вернусь ниже.

Бактерии Mycoplasma были выбраны в качестве объекта эксперимента еще и потому, что у них очень небольшой геном - около миллиона нуклеотидов. Тем не менее, непосредственно создать его химически ученым пока не удается - цепи ДНК длиннее нескольких сотен тысяч нуклеотидов попросту рвутся. В живой клетке этого не происходит - срабатывают некие защитные механизмы, в которых сами ученые так до конца еще и не разобрались.

В общем, чтобы получить целый геном M. mycoides, ученым пришлось сначала синтезировать четыре его отдельных фрагмента (авторы назвали их кассетами), а потом уже собрать их в целостную ДНК-структуру. В качестве своеобразного "устройства" для сборки ученые использовали клетки других бактерий и дрожжей - ведь для соединения ("склеивания") отрезков ДНК требуются ферментативные механизмы живых систем, которые пока невозможно воспроизвести на лабораторном оборудовании.

Итак, ученые из института Крейга Вентера смогли получить целый геном и убедились, что все блоки ДНК соединились в правильной последовательности. На следующем этапе они поместили его в клетки M. capricolum. В особые клетки - из них предварительно была убрана вся "родная" генетическая информация. (Та еще работенка, скажу я вам.)

Гибриды оказались жизнеспособны и активно принялись делиться. По внешнему виду, параметрам поглощения питательных веществ и темпам роста они не отличались от обычных M. mycoides. Чтобы окончательно убедиться в успехе, исследователи выделили белки из созданных ими и появившихся естественным путем M. mycoides и сравнили составы полученных экстрактов. Они оказались практически идентичными.

Статья с описанием работы опубликована в журнале Science. Это означает, что эксперимент признан научным сообществом и поддается воспроизведению - это главный критерий его достоверности.

Кто такой Крейг Вентер?

Ученые из сообщества молекулярных биологов по-разному относятся к персоне Крейга Вентера. Когда-то он служил в ВМС США, уволившись, поступил в колледж, а затем в университет. Уже в 29 лет Вентер получил степень доктора философии по физиологии и фармакологии. Ему довелось принять участие в знаменитом проекте "Геном человека" - там он придумал более эффективный способ определения последовательности ДНК.

В дальнейшем Крейг Вентер создал частную биотехнологическую компанию Celera Genomics - она получила известность, когда за три года создала "черновой вариант" расшифрованного генома человека. Та история закончилась странно: Вентер не выложил геном для всеобщего доступа, а стал продавать его. Это вызвало крайнее возмущение научного сообщества, но Крейгу было наплевать. Он покинул "Celera Genomics" и основал Институт геномных исследований и Институт Крейга Вентера.

Сейчас Крейг Вентер ведет сразу несколько проектов, в числе которых - проект создания полностью синтетического организма и проект создания организма с минимальным геномом.

Последнее особенно интересно: по мнению ученого, вполне жизнеспособным может быть организм с геномом всего около 100 генов (остальные - "лишние"). Но пока Вентер не смог определить, какие именно 100 генов критически необходимы для выживания организма. Сейчас Крейг Вентер работает с геномом Mycoplasma genitalium - он считается самым маленьким из известных на сегодняшний день: в нем всего около 470 кодирующих последовательностей. Ученые последовательно "вырезают" из генома бактерии различные гены и проверяют, сможет ли она существовать без них.

Нынешний результат - созданный организм с синтетическим геномом - результат многолетней работы. Впрочем, в минувшие годы даже промежуточные результаты наделали немало шума: ученые отдельно получали полностью синтетический бактериальный геном, а также пересаживали естественный геном бактерии одного вида в клетку бактерии другого вида. И то, и другое происходило впервые. Теперь же исследователи фактически просто объединили освоенные ранее технологии.

Выпустить на волю?

Главный вопрос, который сегодня волнует и научное сообщество, и простых обывателей: что будет, если организмы с синтетическим геномом попадут в окружающую среду? Ну ладно, сейчас Крейг Вентер просто воссоздал уже существующую в природе последовательность нуклеотидов, так что опасности нет. Но ведь следующий и очевидный шаг - создание новых ДНК-структур. Тот же Вентер уже заключил многомиллионный контракт на создание искусственных водорослей, которые будут размножаться, поглощая из атмосферы углекислый газ, а потом - перерабатываться на биотопливо.

Но такие водоросли неизбежно попадут в окружающую среду - и это крайне тревожит биологов. Судите сами: ученые сейчас даже боятся случайно "выпустить на волю" археобактерии, предположительно обитающие в изолированных миллионы лет подледных озерах в Антарктиде. Именно поэтому, в частности, там пока приостановлено глубинное бурение - бур остановился во льду в считанных метрах от древнего озера.

Но общество беспокоится еще и по другой причине. Ведь из такого "генетического конструктора" по технологиям, апробированным Крейгом Вентером, при злом желании вполне можно "слепить" биологическое оружие. Обратите внимание: не модифицируя уже существующие болезнетворные бактерии, как это делалось до сих пор, а разрабатывая их "с нуля". Понятно, что никакого иммунитета у людей к таким бактериям попросту не будет - ведь ранее человечество с ними в природе не сталкивалось.

Следующий шаг

Создание клетки с искусственным геномом - только один шаг, но шаг ключевой. Создать многоклеточный организм с искусственным геномом теперь будет намного проще - ученым уже давно и хорошо известны генно-молекулярные механизмы, отвечающие за формирование многоклеточных конгломератов, а также за эмбриональный онтогенез.

Но что будет, когда на свет появятся искусственно созданные живые многоклеточные организмы? Неужели воплотится один из многочисленных сценариев голливудских фантастических боевиков? Как-то не хочется давать на такой вопрос простой, короткий и неправильный ответ.

Все. Хватит на сегодня. Пойду покормлю своего домашнего Чебурашку.

Виктор ДЕМИДОВ