Створення геному, який може "перезавантажити" клітини близькоспорідненого виду є першим кроком на довгому шляху.

Фото: Синім хімічним маркером відзначені колонії які утворились з однієї клітини, яка містить синтетичний геном. SCIENCE / AAAS

Минулого тижня дослідники в Сполучених Штатах оголосили, що вони створили синтетичну копію бактеріального геному і використали її, щоб мобілізувати клітину близькоспорідненого виду (D. G. Gibson et al. Science doi:10.1126/science.1190719; 2010). Це досягнення є важливою віхою на обох фронтах. Успіх групи, довгоочікуваний з боку наукового співтовариства, надає інструменти для роботи з геномом у значно більших масштабах, ніж це було можливо раніше. "Я думаю, що це важлива методика на шляху до кінцевої мети - повної реорганізації геномів", говорить Рон Вайсс, синтетичний біолог з Массачусетського технологічного інституту в Кембриджі. Досягнення, також демонструє, в який нелегкий шлях вирушили синтетичні біологи.

Деніел Гібсон з Інституту Крейга Вентера в Рокленді, штат Меріленд, і його колеги почали з дуже точної послідовності геному Mycoplasma mycoides, яку вони власноруч визначили. Використовуючи її як шаблон, вони замовили короткі нитки ДНК, так звані "касети", кожна близько 1000 пар нуклеотидів завдовжки, у компанії секвенування ДНК, а потім вставили ці касети в клітини дріжджів. В середині клітини, власний генетичний механізм дріжджів зібрав їх у копію природного геному M. mycoides. Нарешті, дослідники пересадили синтетичний геном довжиною в 1,1 мільйона пар в клітини тісно пов'язаного виду бактерій - Mycoplasma capricolum. Хоча тільки геном цих нових клітин був синтетично створений, дослідники називають всю клітину "синтетичною", оскільки її молекулярний зміст швидко проявив характеристики M. mycoides. "Зміна хромосоми у клітині, повністю міняє клітину з однієї форми в іншу," сказав Вентер на брифінгу минулого тижня.

Дослідницька група стикалась з численними перешкодами. На заключних етапах проекту, вони місяцями марно намагались трансплантувати синтетичний геном, але через помилки у послідовності ДНК ці спроби не давали живих клітин. Винуватцем виявилася делеція однієї пари основ в гені, який бере участь в копіюванні хромосом.

Нарешті геном спрацював і клітини реципієнти перетворились в життєздатні клітини, які відтворюються шляхом клітинного поділу та володіють характеристиками, які кодуються синтетичною ДНК. "На сьогоднішній день це вершина досягнень синтетичної біології на рівні геному", говорить Джеймс Коллінз, біомедичний інженер Бостонського університету в Массачусетсі.

Потенційні застосування цієї технології стосуються розвитку інноваційних способів виробництва енергії, створення нових датчиків для моніторингу навколишнього середовища або створення бактеріальних підприємств здатних виробляти ліки. Наступним завданням стане побудова генетичних блоків - штучних послідовностей генів, які взаємодіють один з одним складними шляхами для виробництва бажаних ознак. На даний час дослідники можуть надійно розробляти генетичні блоки довжиною від 15,000 до 25,000 пар основ - це послідовність в якій міститься від 6 до 10 промоторів генів. Якщо вам потрібно щось більше, каже Вайсс, то "зараз ніхто не зможе розробити вам генетичний блок, який буде працювати". Важко навіть виділити одну цікаву властивість, яка контролюється великою кількістю генів, а поєднання цих генів в єдину мережу є ще важчим. "Зробити так, щоб нові гени працювали разом є насправді складним завданням", говорить він.

Вайсс каже, що він переконаний у тому, що галузь в кінцевому підсумку цього доб’ється, але не всі вважають, що вбудовування таких блоків в штучні геноми виявиться більш ефективним, ніж просто зміна природних геномів. Генетик Джордж Черч з Гарвардського університету в Бостоні згоден. "Я вважаю, що в синтетичній біології ще не вирішено остаточно, чи краще синтезувати геноми повністю чи просто синтезувати ті частини, які ви хочете змінити," говорить він.

Деякі спостерігачі побоюються, що можливість відтворити організм, використовуючи тільки дані про послідовність їх геному, може дозволити біотерористам синтезувати шкідливі мікроби в лабораторних умовах. Однак для цього буде потрібна висока ступінь технічної майстерності. Більш ймовірною проблемою, каже Мілдред Чо, біоетик зі Стенфордського університету в Каліфорнії, є те, що створені в лабораторії організми можуть випадково втекти, тому для дослідників важливо включати "водяний знак" в послідовність ДНК синтезованих організмів, який відрізнятиме їх від природних організмів, так як це зробила група Вентера.

У відповідь на повідомлення групи Вентера, президент США Барак Обама наказав своїй консультативній раді з біоетики вивчити наслідки таких досліджень і через шість місяців надати звіт.

Крім корисних цілей, метод дозволяє дослідникам досліджувати фундаментальні наукові проблеми в тому числі давню ціль Вентера: синтез геному з найменшою кількістю генів, з якими клітина може жити. Крістофер Войгт, синтетичний біолог з Університету Каліфорнії в Сан-Франциско, відзначає, що ця методика може в один прекрасний день також дозволити дослідникам відтворювати вимерлі організми, або каталогізувати різноманітність видів шляхом збереження їх послідовностей.