Могут ли ученые послойно уменьшить сложность жизни, чтобы выявить суть жизни, основу биологии? Пытаясь это проделать, ученые создали искусственный организм, обладающий лишь генами, необходимыми ему для выживания. Но они понятия не имеют, что делает примерно треть этих генов.
Работа Крейга Вентера и его коллег на эту тему была опубликована в журнале Science буквально на днях. Команда Вентера скрупулезно развинчивала геном Mycoplasma mycoides, бактерии, которая проживает в крупном рогатом скоте, чтобы выявить чистый костяк генетических инструкций, способных делать жизнь как процесс. Результатом этого стал крошечный организм под названием syn3.0, содержащий всего 473 гена. (Для сравнения: кишечная палочка E. coli содержит от 4 до 5 тысяч генов, а человек — порядка 20 000).
Тем не менее в этих 473 генах обнаружилась зияющая дыра. Ученые понятия не имеют, что делает треть этих генов. Вместо того чтобы подсветить основные компоненты жизни, syn3.0 показал, сколько нам осталось узнать о самых основах биологии.
«На мой взгляд, особенно интересно, что это может нам рассказать о том, чего мы не знаем, — говорит Джек Шостак, биохимик из Гарвардского университета, не принимавший участия в исследовании. — Так много генов с неизвестными функциями кажутся настолько важными».
«Мы совершенно удивлены и шокированы. Исследователи ожидали, что в смеси будет некоторое количество неизвестных генов, возможно, от пяти до десяти процентов генома. — Но в результате получилась потрясающая цифра»— говорит Вентер, биолог, возглавляющий Институт им. Дж. Крейга Вентера в Ла-Хойя, Калифорния, известный за свой вклад в картирование человеческого генома.
Семя для происков Вентера было посажено в 1995 году, когда его команда расшифровала геном Mycoplasma genitalium, микроба, живущего в мочеполовых путях человека. Когда ученые Вентера начали работать над этим новым проектом, они выбрали M. genitalium — второй полностью секвенированный бактериальный геном — в частности, из-за его крошечного размера. С 517 генами и 580 000 буквами ДНК, эта бактерия обладает одним из самых маленьких известных геномов среди самовопроизводящихся организмов. (Некоторые симбиотические микробы могут выживать со 100-буквенными генами, но полагаются на ресурсы своего хозяина в таком случае).
Компактный набор ДНК M. genitalium поднял вопрос: какое наименьшее число генов может позволить себе клетка? «Мы хотели узнать базовые генные компоненты жизни, — говорит Вентер. — 20 лет назад это казалось хорошей идеей — мы и понятия не имели, к чему нас приведут двадцатилетние поиски».
Вентер и его коллеги изначально намеревались создать урезанный геном, основанный на знаниях учеными биологии. Они хотели начать с генов, участвующих в наиболее важных процессах клетки, вроде копирования и перевода ДНК, и от них уже строить.
Но прежде чем они смогли бы создать эту краткую версию жизни, ученым нужно было выяснить, как спроектировать и построить геном с нуля. Вместо того чтобы редактировать ДНК в живом организме, как делает большинство ученых, они хотели получить полный контроль — спланировать свой геном на компьютере и затем синтезировать ДНК в пробирках.
В 2008 году Вентер и его соратник Гамильтон Смит создали первый синтетический бактериальный геном, построив модифицированную версию ДНК M. genitalium. Затем, в 2010 году, они создали первый самовоспроизводящийся синтетический организм, произведя версию генома M. mycoides и пересадив его разным видам Mycoplasma. Синтетический геном возобладал над клеткой, вытеснил родную рабочую систему и заменил ее версией людей. Искусственный геном M. mycoides был практически идентичен природной версией, за исключением нескольких генетических пометок — ученые добавили свои имена и несколько знаменитых цитат, включая слегка искаженную версию высказывания Ричарда Фейнмана: «Чего я не могу создать, того не понимаю».
Заполучив правильные инструменты, ученые разработали ряд генетических чертежей для своих минимальных клеток и затем попытались построить их. «Ни один замысел не удался», говорит Вентер. Он посчитал свои многочисленные неудачи наказанием за их высокомерие. Обладает ли современная наука достаточными знаниями базовых биологических принципов, чтобы построить клетку? «Ответом было сокрушительное нет», говорит он.
