Първият компютърен геном може да доведе до синтетични форми на живот

Всички ДНК последователности на форми на живот, изследвани от учените, се съхраняват в база данни, собственост на Националния център за биотехнологична информация в Съединените щати. И на 1 април в базата данни се появи нов запис: „Caulobacter ethensis-2.0“. Това е първият в света напълно компютърно моделиран и след това синтезиран синтетичен геном на жив организъм, разработен от учени от ЕТ Цюрих (ETH Zurich). Все пак трябва да се подчертае, че въпреки че геномът на C. ethensis-2.0 беше успешно получен под формата на голяма ДНК молекула, съответен жив организъм все още не съществува.

Изследователската работа е извършена от Бийт Кристен, професор по експериментална системна биология, и брат му Матиас Кристен, химик. Новият геном, наречен Caulobacter ethensis-2.0, е създаден чрез почистване и оптимизиране на естествения код на бактерията Caulobacter crescentus, безвредна бактерия, която живее в прясна вода по целия свят.  

Преди повече от десетилетие екип, ръководен от генетикът Крейг Вентър, създаде първата „синтетична“ бактерия. В хода на работата си учените синтезирали копие от генома на Mycoplasma mycoides, след което то било имплантирано в клетка-носител, която след това се оказала напълно жизнеспособна и запазила способността си да се самовъзпроизвежда.

Новото проучване продължава работата на Крейгер. Ако по-рано учените създадоха цифров модел на ДНК на истински организъм и синтезираха молекула въз основа на него, новият проект отива по-далеч, използвайки оригиналния ДНК код. Учените го преработиха основно, преди да го синтезират и тестват функционалността му.

Изследователите започнаха с оригиналния геном на C. crescentus, който съдържа 4000 гена. Както при всички живи организми, повечето от тези гени не носят никаква информация и са „нежелана ДНК“. След анализа учените стигнаха до извода, че само около 680 от тях са необходими за поддържане живота на бактериите в лабораторията.

След отстраняване на ненужната ДНК и получаване на минимален геном на C. crescentus, екипът продължи работата си. ДНК на живите организми се характеризира с наличието на вградена излишност, която се състои в това, че синтезата на един и същ протеин се кодира от различни гени в няколко участъка на веригата. Изследователите са заменили повече от 1/6 от 800 000 ДНК букви в оптимизация за премахване на дублиран код.

„Благодарение на нашия алгоритъм, ние напълно пренаписахме генома в нова последователност от ДНК букви, която вече не е подобна на оригинала“, казва Бийт Кристен, съавтор на изследването. „В същото време биологичната функция на ниво протеинов синтез остава непроменена.“

За да проверят дали получената верига ще работи правилно в жива клетка, изследователите са отгледали щам бактерии, които имат както естествения геном на Caulobacter, така и сегменти от изкуствения геном в своята ДНК. Учените изключиха отделни естествени гени и тестваха способността на техните изкуствени двойници да изпълняват същата биологична роля. Резултатът беше доста впечатляващ: около 580 от 680 изкуствени гена се оказаха функционални.

„С натрупаните знания ще можем да подобрим нашия алгоритъм и да разработим нова версия на генома 3.0“, казва Кристен. „Вярваме, че в близко бъдеще ще създадем живи бактериални клетки с напълно синтетичен геном.“

На първия етап подобни изследвания ще помогнат на генетиците да проверят точността на знанията си в областта на разбирането на ДНК и ролята на отделните гени в нея, тъй като всяка грешка в синтеза на веригата ще доведе до факта, че организмът с новият геном ще умре или ще бъде дефектен. В бъдеще те ще доведат до появата на синтетични микроорганизми, които ще бъдат създадени за предварително определени задачи. Изкуствените вируси ще могат да се борят с естествените си роднини, а специални бактерии ще произвеждат витамини или лекарства.

Изследването е публикувано в списание PNAS.

Източник: 3dnews.ru