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. 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. 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. 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 синтезировала первую искусственную хромосому представителя эукариот — Saccharomyces cerevisiae, то есть пекарских дрожжей. 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! 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. Все эти нововведения и нововыведения генетических структур у S. cerevisiae — не что иное, как каприз эволюции. 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. рис. 1) и навели чистоту и порядок. Что же осталось после «генеральной уборки»?
Рисунок 1. Сборка синтетического генома — дело непростое. 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. 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. 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?
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.
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.
Источник: БИОМОЛЕКУЛА
