Команде биологов под руководством Крейга Вентера удалось создать организм с минимальным возможным геномом, который был получен полностью синтетическим путем. Основой минимального генома стал геном бактерии Mycoplasma mycoides, который ученым удалось «ужать» почти вдвое. Интересно, что из 473 генов, которые входят в его состав, роль 149 сейчас почти не известна. Работа опубликована в журнале "Science".
Новая работа является продолжением более раннего эксперимента, в ходе которого той же команде удалось создать систему искусственного синтеза геномов. В 2010 году ученые представили штамм Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0, ДНК которого была целиком состояла из тысяч небольших фрагментов — олигонуклеотидов, полученных химическим путем. Эта ДНК была введена в клетку-реципиент, геном которой был предварительно разрушен. Главным достижением исследователей тогда стала разработка системы, которая позволяет собирать отдельные олигонуклеотиды в длинные фрагменты ДНК, исправлять внесенные синтезом ошибки и в конце концов получать полностью синтетические, «дизайнерские» геномы.
В опубликованной в 2010 году работе речь шла о синтезе генома, практически идентичного геному природной бактерии (за исключением небольшого числа специально введенных «водяных знаков»). В новой работе исследователи сделали шаг вперед и смогли минимизировать число генов, которые содержатся в геноме до абсолютно необходимого минимума.
Four design-build-test cycles produced JCVI-syn3.0.
(A) The cycle for genome design, building by means of synthesis and cloning in yeast, and testing for viability by means of genome transplantation. After each cycle, gene essentiality is reevaluated by global transposon mutagenesis. (B) Comparison of JCVI-syn1.0 (outer blue circle) with JCVI-syn3.0 (inner red circle), showing the division of each into eight segments. The red bars inside the outer circle indicate regions that are retained in JCVI-syn3.0. (C) A cluster of JCVI-syn3.0 cells, showing spherical structures of varying sizes (scale bar, 200 nm).
При определениии «минимальности» на геном накладывалось два ключевых требования: 1) он должен был позволять организму самостоятельно размножаться (реплицироваться) и 2) делать это достаточно быстро, чтобы низкая скорость роста колоний не была препятствием для проведения экспериментов. Для создания минимального набора ученые применили несколько параллельных стратегий. Например, мутагенез транспозонами, который позволяет избирательно выключать отдельные гены посредством встройки в его последовательность мобильного генетического элемента. Если бактериям удалось выживать в условиях наличия в некотором гене такой вставки, этот ген считался не-необходимым для жизни. Впрочем использовать такие данные напрямую оказалось невозможно из-за функционального дублирования: если два гена могут выполнять одну жизненно важную функцию, то каждый из этих генов кажется не-необходимым, хотя удаление обоих приводит к гибели организма. В итоге набор необходимых генов авторам пришлось подбирать вручную, основываясь как на данных транспозонного мутагенеза, так и на данных сравнительной геномики.
Штамм с минимальным геномом, Syn3.0
Авторы статьи позиционируют полученный организм как исследовательскую площадку для добавления новых функций. По их задумке, организм с минимальным геномом должен быть более предсказуем и эффективен для синтетической биологии, которая сейчас полагается на природные модельные организмы вроде E. coli или пекарских дрожжей.
