Обігруючи бога

Синтетичні біологи та їхні ігри у створенні штучних геномів призвели до появи не існуючих у природі організмів, ДНК яких містить лише мінімально необхідний набір генів. Ідеальний код. Без єдиної зайвої сходинки.

Учасники

Джордж Черч, професор Гарвардського університету і Массачусетського технологічного інституту. Розробив кілька революційних методів секвенування ДНК, зробив великий внесок у створення ГМ-технологій з використанням CRISPR/Cas9. У 2015 році успішно пересадив гени шерстистих мамонтів у ДНК сучасних слонів.

Крейг Вентер, президент власного інституту генетики. Керував незалежним проектом з читання ДНК людини. У 2010 році продемонстрував живу клітку зі штучним геномом: її ДНК не збиралася з фрагментів, виділених з інших клітин, а синтезувалася в лабораторії.

Мета гри

Клітини — це основа життя. Вони містять спадкову інформацію у вигляді молекул ДНК, сукупність яких називають геномом. Геном визначає, які молекули клітина буде виробляти, як вона буде ділитися, які хімічні реакції здійснювати. Деякі з цих функцій універсальні: здатності подвоювати свою ДНК і синтезувати білки, ділитися, поглинати речовини з навколишнього середовища і формувати мембрану потрібні майже будь-якій клітці.

Інші завдання спеціалізовані і часто пов’язані з пристосуванням до конкретних умов життя. Наприклад, бактерії можуть мати гени, що забезпечують захист від антибіотиків, а можуть і не мати, якщо вона їм не потрібна. Клітини багатоклітинних організмів містять у геномі інструкції, що дозволяють їм кооперуватися і взаємодіяти, організовуватися в просторі і спеціалізуватися, формуючи складні тканини та органи. Ділянки ДНК, що регулюють ці процеси, часто не потрібні окремим клітинам, але необхідні для функціонування цілого організму.

У 2016 році незалежно один від одного Черч і Вентер представили проекти створення організмів з «мінімальним» геномом. Підходи у них різні, несхожі і методи, але кінцеві цілі майже однакові

Завдання, яке вирішують наші гравці, полягає в тому, щоб встановити мінімальний набір генів, необхідний клітці. Такий організм повинен містити повний комплект інструкцій, що дозволяють йому підтримувати своє існування і ділитися — але нічого понад це. Тільки найпотрібніше.

Вирішення цього завдання важливе з трьох причин. По-перше, ми зможемо краще зрозуміти, як працюють клітини. По-друге, отримаємо зручну модель для вивчення генів та їх функцій. По-третє, «мінімальний» організм можна буде адаптувати для синтезу яких-небудь ліків, біопалива або іншого потрібного з’єднання. Позбавлений зайвих генів організм не буде витрачати час і ресурси на їх роботу і копіювання, ставши більш ефективним виробником.

Ігрове поле

Розміри генома можуть бути дуже різними, і зі складністю самого організму прямо вони не пов’язані. ДНК круглих хробаків Caenorhabditis elegans включає 97 млн нуклеотидів і приблизно 20 000 генів. Геном людини куди більш громіздкий — 3 млрд нуклеотидів, але кодуючих білки генів у нас трохи більше, ніж у нематоди, всього 20-25 тисяч. Але бувають організми з ще більш «роздутими» геномами. Наприклад, у двоякодишньої риби Protopterus aethiopicus він в 40 разів більше, ніж у людини. Такий розкид у розмірах багато в чому пояснюється тим, що крім важливих генів ДНК накопичує масу зайвого і непотрібного. Ще в 2004 році були отримані миші, з геному яких вирізані досить великі «порожні» фрагменти ДНК — в 1,5 і в 0,8 млн нуклеотидів. Такі тварини нічим не відрізнялися від своїх звичайних родичів, нормально розвивалися і залишали здорове потомство.

Найбільш «економічними» геномами можуть похвалитися віруси, бактерії та археї. Серед останніх рекордсменом залишаються живуть в гарячих джерелах Nanoarchaeum equitans, ДНК яких складена всього з 490 000 нуклеотидів і містить рівно 5408 генів. Один з найбільш компактних геномів бактерій належить паразитичним Mycoplasma genitalium: 580 000 нуклеотидів і смішні 475 генів, що кодують білки. Шкода, що ці мікроби розмножуються надто повільно і не надто зручні для досліджень. Втім, у них є близькі і швидкозростаючі родичі Mycoplasma mycoides з приблизно вдвічі більшим геномом і кількістю генів. ДНК саме цієї бактерії вибрав Крейг Вентер для подальшої «оптимізації».

Хід Вентера

У 2010 році командою Вентера була отримана синтетична копія геному M. mycoides. Вчені перенесли її в клітку, з якої заздалегідь була видалена власна ДНК; отримана мікоплазма нормально ділилася і функціонувала. Саме цю роботу співробітники американського журналу Newsweek охрестили «Грою в бога». Але якщо це була гра, то в 2016 році Вентер «переграв» Творця, скоротивши вихідний геном мікоплазми вже приблизно вдвічі — і знову отримавши абсолютно життєздатні клітини.

Крейг Вентер: «Завдяки досягненням генної інженерії та синтетичної біології ми можемо маніпулювати ДНК на безпрецедентному рівні, редагуючи її, як рядки програмного коду»

У теорії підхід до спрощення геному нескладний: достатньо отримувати мутантні клітини і аналізувати їх ДНК. Якщо клітина залишається жива, незважаючи на те що якийсь ген в ній зіпсований, ми можемо вважати, що цей ген не так вже їй потрібен, і видалити його з фінального набору. Таким способом Вентер і його група вивчили десятки тисяч мутантів, виявивши, що непотрібного в геномі мікоплазми майже немає. Відкинувши все зайве, вчені отримали функціонуючу бактерію з геномом в 531 000 нуклеотидів: 438 білкових генів, плюс ще 35, які кодують функціональні молекули РНК. Всього на 428 генів менше, ніж у вихідному геномі Mycoplasma mycoides, з якого почалася робота.

Відкинувши все зайве, вчені отримали функціонуючу бактерію з геномом в 531 000 нуклеотидів

Не можна сказати, що видалення «зайвих генів» позначилося на отриманих клітинах якось особливо погано. Один з критеріїв пристосованості одноклітинного організму до навколишнього середовища — швидкість його ділення. Для подвоєння чисельності клітинам «спрощеної» бактерії потрібно близько 180 хвилин. Це втричі довше, ніж для вихідного варіанту мікоплазми, зате в п’ять разів швидше, ніж потрібно її повільному побратиму M. genitalium. Втім, самі автори спрощеного геному не вважають, що робота завершена. Порівнюючи геноми різних одноклітинних організмів, вчені виділили близько 250 всюдисущих «універсальних генів» — до цього ідеалу і прагнуть Вентер і його колеги. Ну а тим часом Джордж Черч досліджує простоту з іншого боку, намагаючись мінімізувати сам код ДНК.

Хід Черча

Генетичний код — це набір правил, за якими гени кодують білки. З ділянок ДНК (генів) зчитуються їх копії у вигляді молекул РНК, які служать інструкціями для синтезу білків, що складаються з амінокислот. Кожна амінокислота кодується трійкою нуклеотидів вихідного ланцюжка ДНК. Наприклад, у послідовності ГААГГЦЦДА перші три букви (ДАА) відповідають глютаміновій кислоті, далі йдуть гліцин (ГГЦ) і аргінін (ЦДА). При цьому і ДНК, і РНК складаються всього з чотирьох видів нуклеотидів, які можуть складати 64 різні трійки, але амінокислот в білках (за рідкісними винятками) всього 20. Тому майже кожній амінокислоті «приписано» по кілька таких трійок-кодонів — наприклад, глютамінова кислота кодується послідовностями ДАА і ГАГ. Але з цього випливає, що якщо у всіх генах організму замінити трійки ДАА на ГАГ (або навпаки), то білки цього організму не зміняться, зате ми спростимо сам геном, позбувшись надмірних нуклеотидних кодонів. Такою роботою і зайнятий Джордж Черч зі своєю командою. У 2016 році вони опублікували статтю про отримання першого в світі організму, модифікованої кишкової палички з генетичним кодом, що складається всього з 57 кодонів замість стандартних 64. Тобто — з сімома прибраними трійками нуклеотидів.

Джордж Черч: «Потенційно синтетична геноміка може повторити той шлях, який пройшла еволюція, — з тією різницею, що спрямовувати її розвиток буде наша свідома воля»

«Спрощення» генетичного коду може мати важливий ефект — неймовірну стійкість таких організмів до вірусів. Насправді, ці внутрішньоклітинні паразити самі розмножуватися нездатні. Вони повністю покладаються на можливості «поневоленої» клітини, розраховуючи на те, що їхні власні гени будуть працювати в ній так само, як завжди, як працює і геном самої бактерії. Але якщо у неї просто немає апарату, який може інтерпретувати незнайомі бактерії кодони у вірусному геномі, то паразит просто не зможе функціонувати.

Нова гра

Сьогодні Джордж Черч і його колеги всерйоз обговорюють можливість запуску проекту по синтезу людського геному — всіх 3 млрд нуклеотидів, організованих в хромосоми. І нехай поки що це завдання виглядає свідомо програшним: колись і проект читання геному людини виглядав абсолютно непідйомним. Однак він стимулював такий стрибок технологій секвенування, що вартість читання геному впала в тисячі разів і сьогодні виявилася по кишені самим звичайним людям. Можливо, глобальний проект в області синтезу геному дозволить зробити прорив у методах створення нових молекул ДНК. Зробити процес дешевшим, швидшим, ефективнішим. Паралельно можуть з’явитися нові способи доставки ДНК в клітини, так необхідні в медицині: вже сьогодні лікарі приступають до використання генної терапії для лікування деяких спадкових та онкологічних захворювань. На підході і застосування цих методів для боротьби з вірусами, в тому числі з ВІЛ — і від вирішення проблеми доставки генів в цільові клітини залежить успіх нових багатообіцяючих підходів.

Залишається сподіватися, що Черчу, Вентеру і всім іншим вистачить сміливості довести гру до кінця. Можливо, до цього моменту вже підоспіють і надійні технології клонування людини. Тоді нам буде під силу отримання не просто окремої клітини з штучно створеним геномом, а повноцінної людини з синтетичними, оптимізованими хромосомами. З окремих хімічних речовин, «з глини», — майже з нічого.