10 мин
6 марта 2019 г.

Как генетики собрали живой неестественный организм

Игра в бога: история создания минимальной жизнеспособной ДНК
Автор: Владимир Губайловский

Не заигралось ли человечество в бога? Этот древний вопрос получил принципиально новое звучание после эксперимента Крейга Вентера, который в 2016 году создал вместе с коллегами никогда не существовавший в природе организм – бактерию с минимальным геномом. Об этом популяризатор науки Александр Панчин рассказывал на лекции 9 февраля в рамках «Открытой лабораторной-2019».

Впрочем, лекция была посвящена разным областям генетики, так что сам эксперимент Вентера обсудили довольно бегло. «Лаба» решила рассказать об этом эксперименте подробнее. Но начнем мы не с самого Вентера, а заглянем немного дальше. 

Как собирали смертельный вирус

В 2002 году был поставлен эксперимент, положивший начало синтезу жизни не из других организмов (например, в процессе их генетического редактирования, то есть «сверху вниз»), а из химических соединений («снизу вверх»).

Эккард Виммер (Eckard Wimmer) и его коллеги из Университета в Стоуни-Брук (Stony Brook University) собрали из небольших фрагментов (олигонуклеотидов) полную РНК вируса полиомелита (полиовируса).

В 2002 году это было не так-то просто сделать. РНК полиомиелита состоит из 7500 нуклеотидов (это сравнительно немного: РНК вируса Эбола состоит из 19 тысяч нуклеотидов). Кусочки РНК-олигонуклеотиды заказывали в биотехнологических компаниях, а потом склеивали. 

В результате РНК вируса полиомелита была собрана. Но РНК – это еще не вирус, а своего рода его схема или «операционная система». Синтезированная РНК была помещена в специально приготовленный клеточный экстракт, состоящий из неинфицированных клеток человека, лишенных ядер, митохондрий и других клеточных органелл. То есть от клеток фактически остались только оболочка-мембрана и цитоплазма. 

Когда плотность синтезированной вирусной РНК в этом экстракте достигла критической массы, линейная РНК свернулась в нормальную трехмерную форму, и синтетический вирус ожил.

После того, как вышла статья Виммера и его коллег, ученым пришлось отвечать на вопрос: а не могут ли теперь террористы запросто собрать любой смертельный вирус и провести масштабную атаку?

Виммер утверждал, что вероятность такого поворота событий крайне мала, но полностью отрицать такую возможность не мог. С тех пор прошло уже полтора десятилетия. Достижения генетиков на пути синтеза организмов очень значительны (о них эта заметка), но террористических атак с помощью синтетических вирусов пока не было. 

Они восстали из мертвых

Спустя четыре года после выхода статьи с описанием синтеза вируса, Виммер опубликовал другую статью, главной целью которой было прояснение некоторых не столько научных, сколько философских и социальных вопросов, связанных с экспериментом. В своей статье 2006 года Виммер пишет: «Наш эксперимент опроверг одну из аксиом в биологии. Считалось, что без родительских геномов невозможно возникновение дочерних клеток или потомства вирусов. Мы опровергли этот фундаментальный закон биологии. Мы показали, что полиовирус – это химический объект, который может быть синтезирован на основе информации общего доступа. Это экспериментальное доказательство, что подобный подход применим к синтезу всех вирусов вообще».

До эксперимента по синтезу РНК полиовируса казалось, что создать генетически новый организм можно только частичным разрушением или изменением уже существующего живого организма. Одно живое может порождаться только другим живым, и никак иначе. Создавать новое живое мы можем только из другого живого – «сверху вниз». Это и есть та «аксиома биологии», о которой пишет Виммер. Но оказывается можно создать живое из таких заведомо мертвых сущностей, как молекулы, то есть «снизу вверх».

Является ли вирус живым организмом? Ответ Виммера довольно неожиданный – вирус и живой, и неживой, в зависимости от условий, в которых он находится. 

«Когда меня спрашивают, является ли вирус полиомиелита неживым или живым, мой ответ в обоих случаях – «да». Я считаю вирусы объектами, которые способны переходить из неживой фазы в живую и обратно», – пишет ученый. 

По мнению Виммера, вне клетки-хозяина полиовирус мертв как шарик для пинг-понга. Это химическое вещество, которое может быть очищено до гомогенного состояния и кристаллизовано, и его физическими и химическими свойствами в значительной степени задается его трехмерная структура. Так же как обычный химикат, полиовирус можно синтезировать в пробирке. Но когда вирус полиомиелита попадет в живую клетку, у него есть план выживания. «Его развитие подчиняется эволюционным законам: наследственности, генетическим вариациям, адаптации к внешним условиям, эволюции и так далее, – продолжает генетик. – То есть полиовирус подчиняется тем же законам, что и живые существа. Можно даже утверждать, что вирус полиомиелита способен к половому размножения в инфицированной клетке, так как он легко соединяется с другими подобными вирусами для обмена генетической информацией».

Вывод из этого радикальный: окончательная победа над вирусом невозможна, поскольку вне живой клетки он может сохраняться неограниченно долго, а при изменении условий способен воскреснуть (именно так – без кавычек) и сделать свое черное дело. Если даже мы достигли больших успехов в борьбе с полиомелитом не стоит расслабляться и полностью прекращать прививки. Вирусы ждут своего шанса как шарики для пинг-понга, рассыпанные по столу. Стоит ему слегка накрениться, и они начнут прыгать, – и собираться в смертельно опасное оружие.

Самый маленький живой геном

25 марта 2016 года вышла статья Крэйга Вентера и коллег, о которой и рассказывал в своей лекции на «Открытой лабораторной» Александр Панчин.

Публикация стала следующим шагом в «Игре в бога». Целью Вентера был (и остается до сих пор) синтез живого организма с заранее заданными свойствами.

Для этого необходимо понять, что же все-таки существенно в ДНК, а что – нет. Вентер и его коллеги посчитали, что для нормального развития организма необходимы гены, которые отвечают за четыре важнейших процесса: хранение генетической информации, синтез белков, метаболизм клетки и формирование клеточной мембраны. Все остальные фрагменты ДНК не столь существенны. 

Чтобы выделить жизненно необходимый минимум генов, биологи взяли бактерии Mycoplasma и, начиная с 1995 года, провели полную расшифровку нескольких их геномов.

Сравнивая разные геномы, ученые выяснили, что все они содержат примерно 250 основных генов, которые встречаются всегда. Тогда был сформулирована гипотеза о Гипотетическом Минимальном Геноме (ГМГ), который обеспечит живому организму самостоятельное существование и который не содержит никаких несущественных фрагментов. И решено было создать бактерию с таким минимальным геномом.

Бактерии Mycoplasma – это паразиты млекопитающих. Они живут в среде, близкой к идеальной. Все, без чего можно обойтись, эти бактерии уже утратили в процессе эволюции. Стало быть, здесь и надо искать минимальный геном. Но как искать?

Запрограммировать жизнь

В двух статьях, опубликованных в 2007 и 2010 годах, ученые рассказали о двух важных результатах. В 2007 году они сообщили, что им удалось пересадить ДНК одной бактерии в другую – и вторая бактерия превратилась в первую. Этот метод позволяет тестировать искусственно синтезированные ДНК, подсаживая их в живые клетки. То есть не только «писать код», но и запускать его на тестовой «машине», если использовать компьютерную аналогию.

В 2010 году геном Mycoplasma mycoides был уже не взят из живой бактерии, а химически синтезирован, и потом пересажен в клетку Mycoplasma capricolum – и Mycoplasma capricolum стала Mycoplasma mycoides. 

Трудности на этом пути были отнюдь не только технические. Пришлось изобрести множество совершенно новых методов сборки и отладки кода. Одной из самых трудных задач при написании программы на машинном языке является поиск ошибок.

Если ДНК – это язык программирования (а Крэйг Вентер и его коллеги в этом уверены), то, не умея тестировать, большую программу мы написать не сможем.

Вот как Александр Марков в своем обзоре статьи 2010 года описывает решающий этап эксперимента: «Первая попытка окончилась неудачей. Хотя все было сделано предельно аккуратно, искусственный геном не приживался в клетках-реципиентах. Это означало, что в синтезированную авторами генетическую "программу" на каком-то этапе сборки вкралась ошибка... Исследователям пришлось тестировать фрагменты синтетического генома по отдельности, вставляя в клетки M. capricolum комбинированные хромосомы M. mycoides, содержащие по одному синтетическому фрагменту, тогда как остальная часть хромосомы была «натуральная», то есть происходила от живых бактерий M. mycoides. Наконец ошибку нашли: как выяснилось, дело было в том, что выпал один-единственный нуклеотид из жизненно важного гена dnaA. Этот ген необходим для репликации (размножения) ДНК. Потеря нуклеотида привела к сдвигу рамки считывания и превратила генетическую инструкцию в бессмыслицу».

То есть исследователи нашли один потерянный нуклеотид из миллиона. Это очень похоже на процесс отладки компьютерной программы, правда, написанной скорее на ассемблере, а не языке высокого уровня. Но, в принципе, ДНК – это и есть ассемблер, а языки высокого уровня еще предстоит создать.

 

В результате ученым удалось полностью синтезировать работающую ДНК и, используя метод, разработанный в 2007 году, вставить ее в клетку. Клетка модифицировалась и стала жить.

 

В 2016 году целью эксперимента стало создание организма с минимальной ДНК – своего рода квинтэссенцией жизни – ничего лишнего, только важные, работающие гены. Ученые синтезировали ДНК Mycoplasma mycoides (как в эксперименте 2010 года) и стали из него последовательно удалять «несущественные» гены. Оказалось, что 250 генов, как предполагалось при разработке гипотетического минимального генома (ГМГ) – мало. Только с этими генами организм жить не может. Это связано с тем, что разные гены в разных организмах могут выполнять одни и те же жизненно важные функции. Тогда в ГМГ добавили квази-существенные гены – без них клетка не может жить и развиваться, но вот почему она не может без них жить, так и осталось на сегодня непонятным. 

То, что стало очевидным, – это выигранная партия «в бога». Фактически методом сборки из химических соединений было создано новое живое существо, которое в природе не встречается. Если немного утрировать, то это живое существо никому не нужно – кроме ученых, которые продолжают играть.

Похожие материалы

Мутации китайских ГМО-близняшек: о чем молчали ученые?

Текст
7 мин

ГМО-близняшки: как редактировать ДНК человека?

Тест
3 мин

Гены и расы: чем мы отличаемся на самом деле?

Текст
5 мин