Возможно ли создание полноценной синтетической формы жизни? Биолог Энтони Хосе ввел концепцию клеточного кода, который необходимо знать, чтобы получить искусственный организм. «Лента.ру» рассказывает о выводах исследователя, изложенных в препринте, опубликованном в репозитории bioRxiv.
Ученые только начинают получать синтетические формы жизни, собирая геномы одноклеточных микроорганизмов заново. Так, в марте 2016 года в журнале Science была опубликована статья, описывающая создание бактерии микоплазмы с минимально возможным количеством генов. Для этого в клетку-реципиент с разрушенной ДНК поочередно встраивались фрагменты модифицированного генома, почти в два раза меньше оригинального.
В 2017 году американские исследователи из Университета Джонса Хопкинса получили дрожжи с синтетическими хромосомами, в которых были убраны дефектные и бесполезные гены. Кроме того, ученые взломали сам генетический код, поменяв триплеты нуклеотидов TAG на TAA. Это позволило организмам избавиться от лишнего фермента, обслуживающего кодоны TAG.
Если одни исследователи идут по пути создания одноклеточных, свободных от генетического мусора, то другие пытаются поменять сам способ, которым последовательность ДНК кодирует белки. Пока в этой области успехи очень скромные. Все, что удалось сделать, — это обогатить ДНК-алфавит. К четырем буквам-нуклеотидам (A, T, G, C) добавилось еще несколько. В новой работе, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, рассказывается, как международная группа исследователей встроила в геном кишечной палочки Escherichia coli синтетические нуклеотиды X и Y. Хотя подобное уже делалось, ученые добились того, что бактерии успешно размножались и сохраняли в своей ДНК искусственную часть.
Кишечная палочка
Изображение: Manfred Rohde / HZI / Globallookpress.com
Однако это только первый шаг на пути к полноценному синтетическому организму. Следующий этап — заставить синтетические нуклеотиды кодировать аминокислоты. У E.coli нуклеотиды X и Y находились в «безопасной» части генома, то есть вне кодирующих последовательностей генов. Иначе новые «буквы» нарушили бы процесс синтеза белка. Клетка бы просто не знала, какой аминокислоте соответствовал кодон ATX или YGC. Биологам еще следует создать новую транспортную РНК, способную распознать такие триплеты и вставить определенную аминокислоту в растущую цепь пептида.
Даже в этом случае подобный организм лишь с натяжкой можно назвать синтетическим. Однако понятны дальнейшие шаги. Искусственный организм будет иметь не только новые нуклеотиды, но и аминокислоты, которые редки или вообще не встречаются внутри клетки. Известно, что все разнообразие триплетов нуклеотидов кодирует лишь 20 стандартных аминокислот. Некоторые другие аминокислоты, например селеноцистеин (содержит селен), встраиваются в белок при специфичных условиях. Дополнительные буквы генетического кода позволят обогатить белок и создать кодоны, соответствующие новым аминокислотам.
Несмотря на все успехи синтетической биологии, специалисты еще не знают точно, какая информация важна для получения организма с заданными свойствами. ДНК — лишь отправная точка. Все клетки многоклеточного животного или растения содержат один и тот же геном, однако в процессе развития организма клетки дифференцируются, то есть начинают выполнять различные функции. Важную роль в этом играет эпигенетическая регуляция, когда какие-то соединения выключают или активируют определенные гены. В результате одна клетка, к примеру, превращается в нейрон, а другая — в фибробласт.
Биолог Энтони Хосе (Antony M Jose) из Мэрилендского университета изучает вопрос, как негенетическая информация определяет облик организма. Ученый предложил концепцию клеточного кода, заключенного в биологических молекулах, которые располагаются в трехмерном пространстве и необходимы для воспроизведения всего остального организма. Для хранения этой информации не нужен весь массив клеток сложного существа, достаточно одной или нескольких клеток. Для размножающихся половым путем организмов таким хранилищем выступает зигота — клетка, образующаяся в результате оплодотворения ооцита (женской гаметы) сперматозоидом.
По мнению исследователя, для расшифровки клеточного кода необходимо изучить весь цикл воспроизводства организма, «от яйца до яйца». То есть следует рассматривать развитие животного и его размножение как единый процесс. Для полного понимания, как это функционирует, недостаточно расшифровать ДНК.
Изображение: Dr. Phillips / Visuals Unlimited / Corbis
При образовании зиготы на формирование будущего организма влияет не только ДНК, полученная от сперматозоида и ооцита, но и цитоплазма женской гаметы. Вещества (белки, мРНК, факторы транскрипции), накапливающиеся в период созревания гаметы, могут быть причиной материнского эффекта. Они присутствуют на ранних стадиях развития эмбриона и способны даже его убить, как это происходит у жуков майского хрущака. Причем играет роль и пространственная организация этих веществ. Так, они определяют закрученность раковин у моллюсков и формируют оси тела у насекомых.
Хосе предлагает следующую схему. Клетка с биологическими макромолекулами и другими соединениями, взаимодействуя с внешними факторами (температурой, сигнальными молекулами и питательными веществами), переходит в новое состояние, и это, в свою очередь, влияет на окружение. Так вся система проходит несколько циклов, накапливая новые вещества. Каждый следующий этап строго зависит от предыдущего и, соответственно, может быть предсказан.
Ученого беспокоит, что биологи до сих пор не знают весь клеточный код даже простого организма, но тем не менее приступили к созданию полусинтетической формы жизни, работая с ДНК. Такие манипуляции с генетическим материалом, по его мнению, похожи на замену отдельных деталей какого-то механизма и могут быть рискованными с этической точки зрения.
Чтобы расшифровать клеточный код, Хосе предлагает сравнивать внутренние характеристики зигот в ряду поколений простейших микроорганизмов, например одноклеточных водорослей Ostreococcus tauri. Для этого также подойдут полусинтетические бактерии с минимальным геномом. Изучение материнского (или отцовского) эффекта позволит выявить существенные внешние факторы, а пространственное расположение важных молекул можно исследовать с помощью систематического молекулярного и биохимического анализа, применяя, скажем, флуоресцентные молекулы.