Синє забарвлення колоній сигналізує про те, що пересадка генома пройшла успішно. Фото з обговорюваної статті в Science
Американські вчені провели першу в світі успішну операцію з пересадки цілого генома від одного виду бактерій до іншого. В результаті мікроби придбали все властивості того виду, чий геном був їм пересаджений. Успіх цього експерименту - важливий крок на шляху до створення штучних живих організмів.
Вчені з Інституту Крейга Вентера (J. Craig Venter Institute) протягом останніх 10 років впевнено йдуть до великої мети - створення штучних мікроорганізмів із заданими властивостями. Практичне значення цих робіт може виявитися величезним. Наприклад, планується створення мікробів, які будуть у великих кількостях виробляти дешеве паливо. Генеральна ідея полягає в тому, щоб встановити мінімальний набір генів, необхідний для життєзабезпечення бактерії, додати туди гени, що кодують корисні функції (наприклад, синтез водню), штучно синтезувати спроектований геном і впровадити його в живу бактерію, власний геном якої повинен бути якимось чином видалений.
Роботи ведуться в основному з бактеріями роду Mycoplasma. Це досить велика (близько 180 видів) група паразитичних бактерій, що викликають всілякі хвороби у рослин, тварин і людини. Мікоплазми мають ряд унікальних властивостей, які роблять їх вельми зручним об'єктом для подібних досліджень. Геноми микоплазм дуже малі (від 600 до 1400 тис. Пар основ) і добре вивчені - на сьогоднішній день повністю прочитані геноми 14 видів. На відміну від переважної більшості інших бактерій з маленькими геномами, мікоплазми не є облігатними внутрішньоклітинними паразитами - вони можуть жити поза хазяйських клітин, тому їх можна вирощувати звичайним чином на живильному середовищі. Правда, середовище має бути досить багатою - мікоплазми дуже вимогливі в цьому відношенні, оскільки у них відсутні гени, необхідні для синтезу багатьох життєво важливих речовин. Нарешті, у мікоплазм немає жорсткої клітинної стінки, характерною для переважної більшості бактерій. Клітини мікоплазм оточені лише тонкою і еластичною мембраною. Це сильно полегшує обмін спадковим матеріалом між клітинами.
Крейг Вентер - засновник однойменного інституту, піонер геномних дослідників і один з найбільш цитованих вчених сучасності (фото з сайту www.harrywalker.com)
Вивчаючи геноми мікоплазм, Крейг Вентер і його колеги вже дуже близько підійшли до розуміння того, що повинен являти собою «мінімальний геном» майбутніх штучних мікробів. Синтез штучних фрагментів геному вже налагоджений, синтез цілого бактеріального генома - справа недалекого майбутнього. Однак до сих пір нікому не вдавалося пересадити цілий геном в живу бактеріальну клітину. Окремі фрагменти геномів пересаджують давно, і в цьому вченим велику допомогу надають наявні у бактерій природні механізми для обміну генетичним матеріалом. Такий обмін в світі бактерій здійснюється трьома основними шляхами:- кон'югація: дві бактерії з'єднуються за допомогою спеціальних білкових трубочок - пілей, і бактерія-донор передає бактерії-реципієнта частину свого геному;
- вірусна трансдукція: віруси, переходячи з однієї клітини в іншу, можуть прихопити з собою шматки бактеріального генома;
- природна трансформація: іноді бактерія просто «всмоктує» фрагменти ДНК з навколишнього середовища і, за певних умов, вбудовує їх у свій геном.
Однак у всіх цих випадках мова йде про передачу лише порівняно невеликих шматочків генома.
Мікоплазма повзе по поверхні хазяйської клітини (зображення з сайту www.primer.ru)
Через недовгий час серед клітин Mycoplasma capricolum з'явилися бактерії з ознаками Mycoplasma mycoides. Обробивши культуру бактерій антибіотиком, вчені знищили тих мікробів, які увібрали в себе чужу ДНК, а що залишилися піддали ретельному вивченню. За всіма ознаками це були справжнісінькі M. mycoides. Ні генів, ні білків, характерних для початкового вигляду Mycoplasma capricolum, у них виявити не вдалося. Антитіла, вибірково реагують на поверхневі білки Mycoplasma capricolum, що не прикріплялися до цих мікробів, на відміну від антитіл, які розпізнають поверхневі білки Mycoplasma mycoides (синє забарвлення колоній на знімку сигналізує про успіх одного з таких імунологічних тестів).
Подальші дослідження покажуть, чи можна проробляти подібну маніпуляцію з іншими бактеріями-реципієнтами та іншими геномами. Не виключено, що увібрати в себе цілий чужий геном здатні тільки мікроби, які не мають клітинної стінки - в цьому випадку мікоплазми, швидше за все, і надалі залишаться єдиними об'єктами для таких експериментів. Так чи інакше, виконана робота сильно наблизила Крейга Вентера до його заповітної мети - створення штучного мікроба. Мабуть, ця мета може бути досягнута вже через кілька років. До речі сказати, в США зараз активно дискутуються етичні та юридичні проблеми, пов'язані з наближенням створенням штучних організмів. Найгарячіші суперечки йдуть з питання про те, чи можна буде ці організми патентувати.