Первая в мире операция по пересадке генома позволила превратить один вид бактерий в другой

Синяя окраска колоний сигнализирует о том, что пересадка генома прошла успешно. Фото из обсуждаемой статьи в Science
Синяя окраска колоний сигнализирует о том, что пересадка генома прошла успешно. Фото из обсуждаемой статьи в Science

Американские ученые провели первую в мире успешную операцию по пересадке целого генома от одного вида бактерий к другому. В результате микробы приобрели все свойства того вида, чей геном был им пересажен. Успех этого эксперимента — важный шаг на пути к созданию искусственных живых организмов.

Ученые из Института Крейга Вентера (J. Craig Venter Institute) в течение последних 10 лет уверенно идут к великой цели — созданию искусственных микроорганизмов с заданными свойствами. Практическое значение этих работ может оказаться огромным. Например, планируется создание микробов, которые будут в больших количествах производить дешевое топливо. Генеральная идея состоит в том, чтобы установить минимальный набор генов, необходимый для жизнеобеспечения бактерии, добавить туда гены, кодирующие полезные функции (например, синтез водорода), искусственно синтезировать спроектированный геном и внедрить его в живую бактерию, собственный геном которой должен быть каким-то образом удален.

Работы ведутся в основном с бактериями рода Mycoplasma. Это довольно обширная (около 180 видов) группа паразитических бактерий, вызывающих всевозможные болезни у растений, животных и человека. Микоплазмы обладают рядом уникальных свойств, которые делают их весьма удобным объектом для подобных исследований. Геномы микоплазм очень малы (от 600 до 1400 тыс. пар оснований) и хорошо изучены — на сегодняшний день полностью прочтены геномы 14 видов. В отличие от подавляющего большинства других бактерий с маленькими геномами, микоплазмы не являются облигатными внутриклеточными паразитами — они могут жить вне хозяйских клеток, поэтому их можно выращивать обычным образом на питательной среде. Правда, среда должна быть весьма богатой — микоплазмы очень требовательны в этом отношении, поскольку у них отсутствуют гены, необходимые для синтеза многих жизненно важных веществ. Наконец, у микоплазм нет жесткой клеточной стенки, характерной для подавляющего большинства бактерий. Клетки микоплазм окружены лишь тонкой и эластичной плазматической мембраной. Это сильно облегчает обмен наследственным материалом между клетками.

Крейг Вентер — основатель одноименного института, пионер геномных исследователей и один из самых цитируемых ученых современности (фото с сайта www.harrywalker.com)
Крейг Вентер — основатель одноименного института, пионер геномных исследователей и один из самых цитируемых ученых современности (фото с сайта www.harrywalker.com)

Изучая геномы микоплазм, Крейг Вентер и его коллеги уже очень близко подошли к пониманию того, что должен представлять собой «минимальный геном» будущих искусственных микробов. Синтез искусственных фрагментов генома уже налажен, синтез целого бактериального генома — дело недалекого будущего. Однако до сих пор никому не удавалось пересадить целый геном в живую бактериальную клетку. Отдельные фрагменты геномов пересаживают давно, и в этом ученым большую помощь оказывают имеющиеся у бактерий естественные механизмы для обмена генетическим материалом. Такой обмен в мире бактерий осуществляется тремя основными путями:

  • конъюгация: две бактерии соединяются при помощи специальных белковых трубочек — пилей, и бактерия-донор передает бактерии-реципиенту часть своего генома;
  • вирусная трансдукция: вирусы, переходя из одной клетки в другую, могут прихватывать с собой куски бактериального генома;
  • естественная трансформация: иногда бактерия просто «всасывает» фрагменты ДНК из окружающей среды и, при определенных условиях, встраивает их в свой геном.

Однако во всех этих случаях речь идет о передаче лишь сравнительно небольших кусочков генома.

В статье, опубликованной 28 июня на сайте журнала Science, Крейг Вентер (Craig Venter) и его сотрудники сообщили о первой успешной трансплантации целого генома от одного вида бактерий другому. Правда, ученые пока сами не до конца понимают, как им это удалось, и пройдет ли этот номер с другими видами бактерий. Сделано было следующее. Ученые выделили геном из бактерии Mycoplasma mycoides, которая вызывает тяжелую пневмонию у коров и может заражать других парнокопытных. Геном этого микроба, как и у большинства бактерий, представляет собой одну кольцевую молекулу ДНК. Геном был тщательно очищен от посторонних примесей, в том числе от белков, и добавлен в культуру бактерий Mycoplasma capricolum, возбудителей козьего полиартрита, которые поражают также коров и овец. Предварительно в геном M. mycoides были внесены особые метки — в том числе гены устойчивости к антибиотикам — чтобы легче было потом определить, успешно ли прошла трансплантация.

Микоплазма ползет по поверхности хозяйской клетки (изображение с сайта www.primer.ru)
Микоплазма ползет по поверхности хозяйской клетки (изображение с сайта www.primer.ru)

Спустя недолгое время среди клеток Mycoplasma capricolum появились бактерии с признаками Mycoplasma mycoides. Обработав культуру бактерий антибиотиком, ученые уничтожили тех микробов, которые не вобрали в себя чужую ДНК, а оставшихся подвергли тщательному изучению. По всем признакам это были самые настоящие M. mycoides. Ни генов, ни белков, характерных для исходного вида Mycoplasma capricolum, у них обнаружить не удалось. Антитела, избирательно реагирующие на поверхностные белки Mycoplasma capricolum, не прикреплялись к этим микробам, в отличие от антител, распознающих поверхностные белки Mycoplasma mycoides (синяя окраска колоний на снимке сигнализирует об успехе одного из таких иммунологических тестов).

Всё это свидетельствует о том, что пересадка генома полностью удалась. Авторы не знают точно, как это произошло, но предполагают, что бактерии «проглатывали» чужую молекулу ДНК, и в первый момент в них, вероятно, содержались оба генома вместе. Когда такая клетка делилась, одна из дочерних клеток получала геном Mycoplasma capricolum, а другая — геном Mycoplasma mycoides. Последующая обработка антибиотиком уничтожила клетки первого типа.

Дальнейшие исследования покажут, можно ли проделывать подобную манипуляцию с другими бактериями-реципиентами и другими геномами. Не исключено, что вобрать в себя целый чужой геном способны только микробы, не имеющие клеточной стенки — в этом случае микоплазмы, скорее всего, и впредь останутся единственными объектами для таких экспериментов. Так или иначе, проделанная работа сильно приблизила Крейга Вентера к его заветной цели — созданию искусственного микроба. По-видимому, эта цель может быть достигнута уже через несколько лет. Кстати сказать, в США сейчас активно дискутируются этические и юридические проблемы, связанные с близящимся созданием искусственных организмов. Самые горячие споры идут по вопросу о том, можно ли будет эти организмы патентовать.

Источник: Carole Lartigue, John I. Glass, Nina Alperovich, Rembert Pieper, Prashanth P. Parmar, Clyde A. Hutchison, Hamilton O. Smith, J. Craig Venter. Genome Transplantation in Bacteria: Changing One Species to Another // Science. Published Online June 28, 2007.

Александр Марков


9
Показать комментарии (9)
Свернуть комментарии (9)

  • voix  | 02.07.2007 | 13:52 Ответить
    >Генеральная идея состоит в том, чтобы установить минимальный набор генов, необходимый для жизнеобеспечения бактерии

    Прекрасная идея, если при этом будет достигнуто понимание, как функционирует бактерия, т.е. для чего нужны эти минимальные гены.
    Направление исследований не менее важное, чем развитие нанотехнологий.
    Ответить
    • zg > voix | 02.07.2007 | 14:28 Ответить
      > Геномы микоплазм очень малы (от 600 до 1400 тыс. пар оснований) и хорошо изучены - на сегодняшний день полностью прочтены геномы 14 видов.

      ....
      Ответить
      • angor > zg | 02.07.2007 | 15:38 Ответить
        Прочтение генома не есть понимание того как это все работает. Если есть понимание того что за что отвечает в геноме, то не составляет труда и оставить только те части генома которые нужны. К сожаление геном не просто программа (как в компьютере), и работа одних частей генома зависит иногда даже не только от других частей но и от всего комплекса (генома) в целом.
        И на данном этапе наука просто методом проб и ошибок пытается разгадать код (без понимания как это работает). Подобрать ту минимальную комбинацию аминокислот с которой клетка еще будет жить.
        Ответить
    • BorisK > voix | 04.07.2007 | 05:43 Ответить
      Я давно талдычу, что это и есть они самые - нанотехнологии! К черту распил денег под фуллерены! Фермерская Австралия для чего думаете серьезные для нее деньги на строительство синхротрона и обучение соответствующих физиков выделила (года 3 назад) - биомолекулы анализировать!
      Конечно, миниатюризация электроники имеет место быть, но давно и безнадежно без нашего российского участия! А биологическая школа (в теории) у нас неплоха. Это я как физик заявляю! ;)) Купите "ботаникам" современных приборов на выделенные миллиарды, и будет вам счастье! :))
      Ответить
  • PavelS  | 02.07.2007 | 21:14 Ответить
    Что-то припоминается, есть большая проблема: трансгенные популяции с трудом конкурируют с природными, т.е. не приживаются в биореакторах. В смысле, минимальный геном не обязан быть самым эффективным - скорее наоборот, его быстро вытеснит.
    Ответить
    • zg > PavelS | 03.07.2007 | 12:42 Ответить
      перед учёными поставлена простая задача - научится создавать клетки с заданными характеристиками. В статье оговаривается, "Например, планируется создание микробов, которые будут в больших количествах производить дешевое топливо" (про конкуренцию и живучесть ни слова). Пока задача сводится к методам моделирования генома клетки.
      Ответить
      • PavelS > zg | 04.07.2007 | 04:43 Ответить
        Толку от бактерий, производящих дешевое топливо, если их сразу же съедят вирусы и сородичи?
        Ответить
        • BorisK > PavelS | 04.07.2007 | 05:32 Ответить
          Защитить от вирусов - более реальная задача, чем предотвратить неконтролируемое распространение и непредвиденные мутации. Пусть уж лучше они на воле дохнут!
          Ответить
        • zg > PavelS | 04.07.2007 | 08:25 Ответить
          Пока только пытаются найти способы моделирования и внедрения генома, характеристики - дело будущего (живучесть в том числе).
          Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»