В 2010 году впервые были описаны клетки с полностью искусственно синтезированным геномом, из которых была получена клетка с минималистичным геномом , демонстрирующая аномальную морфологию при делении. Недавнее добавление группы генов к этой минималистичной клетке восстановило нормальное деление клеток.
Клетки являются основными структурными и функциональными единицами жизни — теория, предложенная Шлейденом и Шванном в 1839 году. С тех пор ученые стремятся понять клеточные функции, пытаясь полностью расшифровать генетический код, чтобы понять, как клетка растет и делится, давая начало новым клеткам подобного типа. С появлением секвенирования ДНК стало возможным расшифровать последовательность генома, что позволило попытаться понять клеточные процессы и постичь основы жизни. В 1984 году Моровиц предложил изучать микоплазмы — простейшие клетки , способные к автономному росту, — для понимания основных принципов жизни.
С тех пор было предпринято несколько попыток уменьшить размер генома до минимального числа, позволяющего получить клетку, способную выполнять все основные клеточные функции. Первые эксперименты привели к химическому синтезу генома Mycoplasma mycoides размером 1079 кб в 2010 году, который получил название JCVI-syn1.0. Дальнейшие делеции, сделанные в JCVI-syn1.0 Хатчинсоном III и др. (1), привели к созданию JCVI-syn3.0 в 2016 году, который имел размер генома 531 кб с 473 генами и временем удвоения 180 минут, хотя и обладал аномальной морфологией при делении клетки. Он по-прежнему содержал 149 генов с неизвестными биологическими функциями, что указывает на наличие еще не обнаруженных элементов, необходимых для жизни. Однако JCVI-syn3.0 предоставляет платформу для исследования и понимания функций живых организмов путем применения принципов полногеномного проектирования.
Недавно, 29 марта 2021 года, Пеллетье и коллеги (2) использовали JCVI syn3.0 для изучения генов, необходимых для деления клеток и морфологии, путем введения 19 генов в геном JCVI syn3.0, что привело к появлению JCVI syn3.0A, имеющего морфологию, аналогичную JCVI syn1.0, при делении клеток. 7 из этих 19 генов включают два известных гена деления клеток и 4 гена, кодирующих мембранно-ассоциированные белки с неизвестной функцией, которые вместе восстановили фенотип, аналогичный фенотипу JCVI-syn1.0. Этот результат предполагает полигенную природу деления клеток и морфологии в геномно минимальной клетке.
Учитывая, что JCVI syn3.0 способен выживать и размножаться благодаря своему минималистичному геному , его можно использовать в качестве модельного организма для создания различных типов клеток с разнообразными функциями, которые могут быть полезны для человека и окружающей среды. Например, можно ввести гены, приводящие к растворению пластика, чтобы новый созданный организм можно было использовать для биологического разложения пластика. Аналогично, можно предположить добавление генов, связанных с фотосинтезом, в JCVI syn3.0, что позволит ему использовать углекислый газ из атмосферы, тем самым снижая его уровень и способствуя уменьшению глобального потепления — одной из главных климатических проблем человечества. Однако к таким экспериментам следует подходить с предельной осторожностью, чтобы не выпустить в окружающую среду суперорганизм, который будет трудно контролировать после его выпуска.
Тем не менее, идея создания клетки с минималистичным геномом и его биологической модификации может привести к созданию разнообразных типов клеток с различными функциями, способных решить основные проблемы, стоящие перед человечеством, и обеспечить его выживание. Однако существует различие между созданием полностью синтетической клетки и созданием функционально синтетического генома . Идеальная полностью синтетическая искусственная клетка должна состоять из синтезированного генома и синтезированных цитоплазматических компонентов — достижение, которого ученые хотели бы добиться как можно скорее в ближайшие годы, по мере того как технологический прогресс достигнет своего пика.
Недавняя разработка может стать ступенькой к созданию полностью синтетической клетки, способной к росту и делению.
Ссылки:
- Хатчисон III C, Чуанг Р. и др. 2016. Разработка и синтез минимального бактериального геном. Наука 25 Март 2016: Vol. 351, выпуск 6280, aad6253
DOI: https://doi.org/10.1126/science.aad6253
- Пеллетье Дж. Ф., Сан Л. и др. 2021. Генетические требования для деления клеток в геномно минимальной клетке. Клетка. Опубликовано: 29 марта 2021 г. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.008
