Mycoplasma Laboratorium или Synthia [b 1] относится к синтетическому штамму бактерий . Проект по созданию новой бактерии развивался с момента его создания. Первоначально целью было идентифицировать минимальный набор генов , необходимых для поддержания жизни, из генома Mycoplasmagentium и синтетическиперестроить эти гены для создания «нового» организма. Mycoplasmagentium изначально была выбрана в качестве основы для этого проекта, поскольку на тот момент у нее было наименьшее количество проанализированных генов среди всех проанализированных организмов. Позже основное внимание переключилось на Mycoplasma mycoides и применили метод проб и ошибок. [Би 2]
Чтобы идентифицировать минимальные гены, необходимые для жизни, каждый из 482 генов M.genitalium был удален индивидуально и проверена жизнеспособность полученных мутантов. Это привело к идентификации минимального набора из 382 генов, которые теоретически должны представлять минимальный геном. [a 3] В 2008 году в лаборатории был создан полный набор генов M.gentium с добавлением водяных знаков для идентификации генов как синтетических. [b 3] [a 4] Однако M.ogenicium растет чрезвычайно медленно, и M. mycoides был выбран в качестве нового объекта для ускорения экспериментов, направленных на определение набора генов, действительно необходимых для роста. [б 4]
В 2010 году полный геном M. mycoides был успешно синтезирован на основе компьютерной записи и трансплантирован в существующую клетку Mycoplasma capricolum , из которой была удалена ДНК. [b 5] По оценкам, синтетический геном, использованный в этом проекте, стоил 40 миллионов долларов США и 200 человеко-лет на производство. [b 4] Новая бактерия смогла расти и получила название JCVI-syn1.0, или Synthia. После дополнительных экспериментов по выявлению меньшего набора генов, которые могли бы создать функциональный организм, был создан JCVI-syn3.0, содержащий 473 гена. [b 2] 149 из этих генов имеют неизвестную функцию. [b 2] Поскольку геном JCVI-syn3.0 является новым, он считается первым по-настоящему синтетическим организмом.
Производство Synthia является результатом усилий в области синтетической биологии в Институте Дж. Крейга Вентера группой из примерно 20 ученых, возглавляемых нобелевским лауреатом Гамильтоном Смитом , в том числе исследователем ДНК Крейгом Вентером и микробиологом Клайдом А. Хатчисоном III . Общая цель — свести живой организм к его основам и, таким образом, понять, что требуется для создания нового организма с нуля. [a 3] Первоначальным объектом внимания была бактерия M. Genitalium , облигатный внутриклеточный паразит , чей геном состоит из 482 генов , содержащих 582 970 пар оснований , расположенных на одной кольцевой хромосоме (на момент начала проекта это был самый маленький геном из всех известных природный организм, который можно выращивать в свободной культуре). Они использовали мутагенез транспозонов для идентификации генов, которые не были необходимы для роста организма, в результате чего был получен минимальный набор из 382 генов. [a 3] Эта инициатива получила название « Проект минимального генома» . [а 5]
Mycoplasma — род бактерий класса Mollicutes отдела Mycoplasmatota (ранее Tenericutes), характеризующийся отсутствием клеточной стенки (что делает его грамотрицательным ) вследствие паразитического или комменсального образа жизни. В молекулярной биологии этот род привлек большое внимание как из-за того, что он является общеизвестно трудно искореняемым загрязнителем в культурах клеток млекопитающих (он невосприимчив к бета-лактамам и другим антибиотикам ), [a 6] , так и из-за его потенциального использования в качестве модельный организм из-за небольшого размера генома. [a 7] Выбор рода для проекта Synthia датируется 2000 годом, когда Карл Райх придумал фразу Mycoplasma Laboratorium . [а 2]
По состоянию на 2005 год Pelagibacter ubique ( α-протеобактерия порядка Rickettsiales ) имеет наименьший известный геном (1 308 759 пар оснований) среди всех свободноживущих организмов и является одной из самых маленьких известных самовоспроизводящихся клеток. Это, возможно, самая многочисленная бактерия в мире (вероятно, 10 28 отдельных клеток) и, наряду с другими членами клады SAR11 , по оценкам, составляет от четверти до половины всех бактериальных или архейных клеток в океане. [a 8] Он был идентифицирован в 2002 году по последовательностям рРНК и был полностью секвенирован в 2005 году. [a 9] Чрезвычайно сложно культивировать вид, который не достигает высокой плотности роста в лабораторной культуре. [a 10] [a 11] Некоторые недавно открытые виды имеют меньше генов, чем M. Genitalium , но не являются свободноживущими: многие важные гены отсутствуют у Hodgkinia cicadicola , Sulcia muelleri , Baumannia cicadellinicola (симбионты цикад ) и Carsonella ruddi. (симбиот листочковой листовертки каркаса, Pachypsylla venusta [a 12] ) может кодироваться в ядре хозяина. [a 13] Организм с наименьшим известным набором генов по состоянию на 2013 год — Nasuia deltocephalinicola , облигатный симбионт . Он имеет всего 137 генов и размер генома 112 т.п.н. [а 14] [б 6]
Для этого проекта пришлось разработать или адаптировать несколько лабораторных методов, поскольку он требовал синтеза и манипуляций с очень большими фрагментами ДНК.
В 2007 году команда Вентера сообщила, что им удалось перенести хромосому вида Mycoplasma mycoides в Mycoplasma capricolum с помощью:
Термин « трансформация» используется для обозначения введения вектора в бактериальную клетку (путем электропорации или теплового шока). Здесь используется трансплантация, аналогичная трансплантации ядра .
В 2008 году группа Вентера описала производство синтетического генома, копии последовательности L43967 M. Genitalium G37, с помощью иерархической стратегии: [a 16]
Геном этого результата 2008 года, M.ogenicium JCVI-1.0, опубликован в GenBank как CP001621.1. Его не следует путать с более поздними синтетическими организмами, получившими обозначение JCVI-syn, основанными на M. mycoides . [а 16]
В 2010 году Вентер и его коллеги создали штамм Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 с синтетическим геномом. [a 1] Изначально синтетическая конструкция не работала, поэтому для выявления ошибки, которая привела к задержке всего проекта на 3 месяца [b 4] , была создана серия полусинтетических конструкций. Причиной неудачи стала единственная мутация сдвига рамки считывания в ДНКА , факторе инициации репликации . [а 1]
Целью создания клетки с синтетическим геномом была проверка методологии как шаг к созданию модифицированных геномов в будущем. Использование естественного генома в качестве шаблона свело к минимуму потенциальные источники неудач. В Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 присутствует несколько отличий от эталонного генома, в частности, транспозон IS1 E.coli (инфекция со стадии 10 т.п.н.) и дупликация 85 п.н., а также элементы, необходимые для размножения в дрожжах, и остатки сайты рестрикции. [а 1]
Были разногласия по поводу того, является ли JCVI-syn1.0 настоящим синтетическим организмом. Хотя геном был синтезирован химически на многих частях, он был сконструирован так, чтобы точно соответствовать родительскому геному, и трансплантирован в цитоплазму природной клетки. ДНК сама по себе не может создать жизнеспособную клетку: для чтения ДНК необходимы белки и РНК, а для разделения ДНК и цитоплазмы необходимы липидные мембраны . В JCVI-syn1.0 два вида, используемые в качестве донора и реципиента, принадлежат к одному и тому же роду, что снижает потенциальные проблемы несоответствия между белками в цитоплазме хозяина и новым геномом. [a 17] Пол Кейм (молекулярный генетик из Университета Северной Аризоны во Флагстаффе ) отметил, что «впереди стоят большие задачи, прежде чем генные инженеры смогут смешивать, сопоставлять и полностью проектировать геном организма с нуля». [б 4]
Широко разрекламированной особенностью JCVI-syn1.0 является наличие последовательностей водяных знаков. Четыре водяных знака (показанные на рисунке S1 в дополнительных материалах к статье [a 1] ) представляют собой закодированные сообщения, записанные в ДНК, длиной 1246, 1081, 1109 и 1222 пары оснований соответственно. В этих сообщениях использовался не стандартный генетический код , в котором последовательности из 3 оснований ДНК кодируют аминокислоты, а изобретенный для этой цели новый код, разгадать который читателям было предложено. [b 7] Содержание водяных знаков следующее:
В 2016 году Институт Вентера использовал гены JCVI-syn1.0 для синтеза меньшего генома, который они назвали JCVI-syn3.0, который содержит 531 560 пар оснований и 473 гена. [b 8] В 1996 году, после сравнения M. Genitalium с другой небольшой бактерией Haemophilus influenzae , Аркадий Мушегян и Евгений Кунин предположили, что может существовать общий набор из 256 генов, который может представлять собой минимальный набор генов, необходимый для жизнеспособности. [b 9] [a 19] В этом новом организме число генов можно сократить только до 473, 149 из которых имеют совершенно неизвестные функции. [b 9] По состоянию на 2022 год неизвестный набор был сужен примерно до 100. [b 10] В 2019 году была опубликована полная вычислительная модель всех путей в клетке Syn3.0, представляющая собой первую полную модель in silico для живого минимального организма. . [а 20]
6 октября 2007 года Крейг Вентер объявил в интервью британской газете The Guardian , что та же самая команда химически синтезировала модифицированную версию единственной хромосомы Mycoplasmaogenicium . Синтезированный геном еще не был трансплантирован в рабочую клетку. На следующий день канадская группа по биоэтике ETC Group через своего представителя Пэта Муни опубликовала заявление , в котором говорилось, что «творение» Вентера было «шасси, на котором можно построить практически все. огромная угроза человечеству, такая как биологическое оружие». Вентер прокомментировал: «Мы имеем дело с большими идеями. Мы пытаемся создать новую систему ценностей для жизни. Имея дело в таком масштабе, нельзя ожидать, что все будут счастливы». [б 11]
21 мая 2010 года журнал Science сообщил, что группа Вентера успешно синтезировала геном бактерии Mycoplasma mycoides из компьютерной записи и трансплантировала синтезированный геном в существующую клетку бактерии Mycoplasma capricolum , у которой была удалена ДНК. «Синтетическая» бактерия оказалась жизнеспособной, т. е. способной к размножению. [b 1] Вентер описал его как «первый вид... родители которого были компьютером». [б 12]
О создании новой синтетической бактерии JCVI-3.0 было объявлено в журнале Science 25 марта 2016 года. Она имеет всего 473 гена. Вентер назвал его «первым дизайнерским организмом в истории» и заявил, что тот факт, что 149 необходимых генов имеют неизвестные функции, означает, что «во всей области биологии не хватает трети того, что необходимо для жизни». [а 21]
Проект получил большое освещение в прессе благодаря зрелищности Вентера, до такой степени, что Джей Кислинг , новаторский синтетический биолог и основатель Amyris , прокомментировал: «Единственное регулирование, которое нам нужно, - это слова моего коллеги». [б 13]
Вентер утверждал, что синтетические бактерии являются шагом на пути к созданию организмов, способных производить водород и биотопливо , а также поглощать углекислый газ и другие парниковые газы . Джордж М. Черч , еще один пионер синтетической биологии , выразил противоположное мнение, что создание полностью синтетического генома не является необходимым, поскольку E. coli растет более эффективно, чем M. Genitalium, даже со всей ее дополнительной ДНК; он отметил, что синтетические гены были включены в E.coli для выполнения некоторых из вышеперечисленных задач. [б 14]
Институт Дж. Крейга Вентера подал патенты на геном Mycoplasma Laboratorium («минимальный бактериальный геном») в США и за рубежом в 2006 году. [b 15] [b 16] [a 22] Группа ETC, канадская группа по биоэтике, подал протест на том основании, что объем патента был слишком широким. [б 17]
С 2002 по 2010 год группа Венгерской академии наук создала штамм Escherichia coli под названием MDS42, который сейчас продается компанией Scarab Genomics из Мэдисона, штат Висконсин, под названием «Чистый геном. E.coli», [b 18] где 15% генома родительского штамма (E. coli K-12 MG1655) было удалено для повышения эффективности молекулярной биологии, удаления IS-элементов , псевдогенов и фагов, что привело к лучшему сохранению кодируемых плазмидами токсичных генов, которые часто инактивируется транспозонами. [a 23] [a 24] [a 25] Биохимия и механизм репликации не изменились.
Кроме того, сложная генетика этих организмов делает последующую проверку существенности путем направленного нокаута проблематичной и практически исключает возможность проведения синтеза de novo 'M. Laboratorium», источник внимания в популярной прессе.
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)