Первый успех на пути к созданию искусственных дрожжей

В мае 2010 года, то есть почти четыре года назад, известный американский генетик Джон Крейг Вентер (John Craig Venter) объявил о создании первой в мире частично синтетической живой клетки, способной к размножению. Этот успех был достигнут в рамках проекта "Минимальный геном", цель которого состояла в получении организма с минимальным, но достаточным для жизни набором генов. Вентер и его команда из Института геномных исследований в Роквилле проводили свои эксперименты на бактериях рода Mycoplasma.

Одновременно с началом работ по созданию искусственной бактерии другая группа ученых из университета Джонса Хопкинса в Балтиморе совместно с коллегами из Нью-Йоркского университета, а также специалистами из Китая, Австралии, Сингапура и Великобритании приступила к искусственному синтезу пекарских или пивных дрожжей (Saccharomyces cerevisiae).

Сложные дрожжи - не чета примитивным бактериям

Дрожжи - организм, устроенный несравненно сложнее, чем бактерия. В отличие от бактерий, дрожжи являются эукариотами, то есть их клетки содержат ядра, и именно в них находятся хромосомы, являющиеся носителями наследственной информации. Поэтому, хотя геном дрожжей расшифрован уже давно, без малого 20 лет назад, его искусственное воссоздание в лаборатории, а главное, получение на этой основе жизнеспособного организма, - задача исключительно трудная. И вот теперь в журнале Science исследователи представили свое, можно считать, эпохальное достижение на этом пути: дрожжи, в геноме которых одна из хромосом заменена аналогом, полностью синтезированным в лаборатории.

Конкретно речь идет о хромосоме номер 3. Всего в дрожжевой клетке содержится 16 хромосом, и хромосома номер 3 - одна из самых маленьких: на ее долю приходится всего лишь 2,5 процента наследственного материала, состоящего из 12 миллионов пар нуклеотидных оснований. Иными словами, описанные в журнале Science дрожжи на 97,5 процентов - натуральные. Они практически ничем не отличаются от природных штаммов: их вполне можно было бы даже использовать для хлебопечения или пивоварения, не будь они столь драгоценными. Но в этом-то и заключается сенсационность работы: дрожжи "безропотно" приняли искусственную хромосому, внедренную взамен природной, и сохранили при этом не только жизнеспособность, но и все свои обычные свойства.

Вместо натуральной хромосомы - улучшенная искусственная копия

Эксперименты заняли семь лет. Вообще-то дрожжи уже давно используются не только в пищевой и химической промышленности, но и в качестве модельного организма в биологических лабораториях. При этом генетики встраивают в их геном различные мутации, чужеродные гены или искусственно синтезированные фрагменты ДНК с целью придания дрожжам тех или иных свойств, востребованных в промышленном производстве. Однако в данной работе ученые прибегли к методу, имеющему мало общего с традиционной генной инженерией: они сперва спроектировали всю хромосому в компьютере, а затем в строгом соответствии с этим планом синтезировали ее в химической лаборатории.

Особое значение этой работе придает тот факт, что искусственная хромосома не в полной мере идентична природной. Руководитель проекта "Синтетические дрожжи 2.0" Джеф Бука (Jef Boeke), профессор молекулярной биологии и генетики университета Джонса Хопкинса и директор Института системной геномики при Лангонском медицинском центре Нью-Йоркского университета, поясняет: "Мы синтезировали не точную копию оригинальной дрожжевой хромосомы, а несколько модифицированный ее вариант. Оригинал состоит из 316 тысяч пар нуклеотидных оснований, а наша копия - лишь из 272 тысяч пар. Мы удалили некоторые некодирующие участки ДНК и сократили повторы в генетическом коде, поскольку наши прежние опыты показали, что эти фрагменты ДНК являются "необязательными", можно сказать - "лишними". В то же время мы добавили довольно значительное количество пар нуклеотидных оснований - с целью маркировки генов и их позднейшей модификации. Вообще-то внесение изменений в геном - это лотерея: одна ошибка - и клетка погибает. Однако нам удалось внести в нашу хромосому свыше 50 тысяч изменений генетического кода, а дрожжи живы и здоровы".

Цель - безопасные и управляемые синтетические дрожжи

По выражению ученого, выполненная работа может считаться "покорением Эвереста синтетической биологии". Однако до достижения конечной цели проекта еще очень далеко. Ведь исследователям предстоит не просто искусственно воссоздать остальные 15 хромосом, но при этом еще и модифицировать их. Эта модификация призвана, с одной стороны, обеспечить биобезопасность окружающей среды, для чего искусственно синтезированные дрожжи должны быть нежизнеспособными вне биореакторов или лабораторий, а с другой стороны, придать таким дрожжам "управляемость", которая позволила бы использовать их для промышленного производства различных химических веществ, будь то биотопливо, лекарства или вакцины. Управляемость может быть достигнута путем внедрения в геном дрожжевых клеток чужеродных генов, позаимствованных у других грибов, растений или животных.

Технологию, использованную ими при создании синтетической хромосомы, сами разработчики называют перемешиванием наследственного материала. По сути дела, гены тасуются, как колода карт. "В результате перемешивания мы получаем множество геномов, - говорит профессор Бука. - На хромосоме номер три мы маркировали 98 генов, подлежащих дальнейшей модификации. Всего же в геноме дрожжей мы хотим иметь примерно 5 тысяч таких мест. Это позволит нам создать гигантское количество различных комбинаций и выбрать из них те, что требуются для той или иной задачи".

По словам ученого, синтетическая биология переходит от теории к практике. Другие группы исследователей уже работают над синтезом других хромосом, а потому профессор Бука уверен, что дрожжи с полностью синтезированным геномом удастся получить уже через четыре года. Вопрос лишь в том, будут ли они столь же жизнеспособны, как дрожжи с одной искусственной хромосомой. Некоторые специалисты в этом сомневаются.