Создано первое живое существо с синтетическим геномом

25.05.10 | Генетика, Александр Марков |



Бактерии с химически синтезированным геномом (на фото) быстро размножаются и внешне практически не отличаются от «диких» бактерий Mycoplasma mycoides. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Сотрудники института Крейга Вентера (J. Craig Venter Institute) сообщили об успешном создании первых микроорганизмов с искусственным геномом. Собранный из химически синтезированных фрагментов ДНК геном взял под контроль живые бактериальные клетки, в которые его внедрили, после чего все их свойства стали соответствовать содержащимся в нём «инструкциям». Это достижение, на которое было потрачено 40 млн долларов и 15 лет работы, позволяет надеяться, что не за горами создание микробов с нужными человеку свойствами, в том числе эффективных производителей вакцин, антибиотиков и дешевого топлива.

Крейг Вентер и его коллеги уже 15 лет упорно двигаются к великой цели — созданию искусственных микробов с заданными свойствами. В 1995 году они отсеквенировали геном бактерии Mycoplasma genitalium — обладателя самого маленького генома среди организмов, способных самостоятельно размножаться в лабораторной культуре (меньше геномы только у бактерий — внутриклеточных симбионтов и паразитов).

В ходе дальнейшей работы было показано, что из примерно 500 генов M. genitalium более сотни не являются жизненно необходимыми. Их можно по одиночке удалять или выводить из строя, и это не сказывается на жизнеспособности бактерии. Эти исследования позволили приблизительно очертить минимальный набор генов, необходимый для поддержания жизни и размножения бактерии в лабораторных условиях.

В дальнейшем команда Вентера отказалась от M. genitalium как основного объекта, потому что эта бактерия слишком медленно размножается. Ученые переключились на более быстро растущий вид — M. mycoides. Его геном был взят за основу при проектировании первых искусственных геномов, а на роль реципиента (бактерии, в которую будут внедрять синтетический геном) выбрали еще один вид микоплазм — M. capricolum.

В 2007 году исследователи добились замечательного успеха, о котором рассказано в заметке Первая в мире операция по пересадке генома позволила превратить один вид бактерий в другой («Элементы», 02.07.2007). Хромосому M. mycoides, тщательно очищенную от примесей, удалось пересадить в клетки M. capricolum. По-видимому, в бактериальных клетках сначала находились хромосомы обоих видов, но при делении некоторые из дочерних клеток унаследовали только донорскую хромосому. Эти клетки по всем своим свойствам соответствовали виду M. mycoides. Таким образом, удалось при помощи пересадки генома трансформировать один вид бактерий в другой.

Следующий важный рубеж был преодолен в 2008 году, когда команда сообщила об успешной сборке полного генома M. genitalium из химически синтезированных фрагментов (Gibson et al. Complete Chemical Synthesis, Assembly, and Cloning of a Mycoplasma genitalium Genome // Science. 2008. V. 319. P. 1215–1220). Молекулы ДНК длиной в несколько тысяч пар нуклеотидов (п.н.) сегодня изготавливаются на заказ биотехнологическими фирмами, такими как Blue Heron. Вы даете такой фирме последовательность нуклеотидов в виде текстового файла, платите деньги и получаете нужную молекулу хоть в чистом виде, хоть в виде плазмиды, вставленной в живую кишечную палочку. Но вот правильно собрать из таких фрагментов крупные молекулы длиной в сотни п.н., а тем более целый бактериальный геном — задача технически довольно сложная (размер генома M. genitalium — около 600 тысяч п.н., M. mycoides — миллион п.н.).

Вентер и его коллеги разработали эффективную, хотя и трудоемкую технологию такой сборки. Сначала заказываются нужные фрагменты ДНК с перекрывающимися 80-нуклеотидными концевыми участками. Затем десяток соседних фрагментов внедряют в дрожжевые клетки, где благодаря наличию перекрывающихся концов происходит их объединение в правильном порядке. Полученные более крупные фрагменты ДНК переносят в кишечную палочку, размножают, затем снова внедряют в дрожжи, где происходит их объединение в еще более крупные фрагменты, и так далее.

Авторам пришлось преодолеть немало технических трудностей, прежде чем они смогли изготовить синтетический геном M. genitalium, а затем и вдвое более крупный геном M. mycoides. Например, как отделить выделенные из дрожжей синтетические бактериальные хромосомы от ДНК самих дрожжей? Авторы использовали то обстоятельство, что бактериальные хромосомы кольцевые, а хромосомы дрожжей — линейные. Нужные молекулы «ловили» при помощи расплавленной агарозы, волокна которой при застывании проходят сквозь кольцевые молекулы ДНК и фиксируют их в агарозном геле, тогда как линейные молекулы ДНК дрожжей остаются незафиксированными, и их можно убрать из геля при помощи электрофореза.

В 2009 году был сделан следующий шаг: удалось наладить пересадку в клетки M. capricolum геномов M. mycoides, которые были модифицированы и размножены в клетках дрожжей (Lartigue et al. Creating Bacterial Strains from Genomes That Have Been Cloned and Engineered in Yeast // Science. 2009. V. 325. P. 1693–1696). На этом этапе необходимо было научиться преодолевать естественную защиту бактерий (в данном случае M. capricolum) от внедрения чужеродной ДНК. У M. capricolum есть система рестрикции-модификации, которая метилирует определенные последовательности нуклеотидов в своей собственной хромосоме и уничтожает схожие последовательности, если они не метилированы. Когда авторы в 2007 году пересадили геном M. mycoides в клетки M. capricolum, клетки-реципиенты восприняли донорскую ДНК как «свою», потому что системы рестрикции-модификации у двух видов сходны. В клетках M. mycoides ДНК метилируется примерно так же, как и у M. capricolum; метилирование сохраняется при пересадке, и поэтому защитная система не срабатывает. Однако бактериальные хромосомы, размноженные в дрожжах, не метилированы, и поэтому клетки M. capricolum считают их «чужими» и пытаются уничтожить. Чтобы справиться с этой проблемой, пришлось отключить у реципиентов систему рестрикции.

Теперь оставалось лишь совместить результаты, описанные в статьях 2008-го и 2009 года, то есть синтезировать искусственный геном M. mycoides и пересадить его из дрожжей в M. capricolum. Первая попытка закончилась неудачей. Хотя всё было сделано предельно аккуратно, искусственный геном не приживался в клетках-реципиентах. Это означало, что в синтезированную авторами генетическую «программу» на каком-то этапе сборки вкралась ошибка. Ее поиск задержал работу на три месяца. Исследователям пришлось тестировать фрагменты синтетического генома поодиночке, вставляя в клетки M. capricolum комбинированные хромосомы M. mycoides, содержащие по одному синтетическому фрагменту, тогда как остальная часть хромосомы была «натуральная», то есть происходила от живых бактерий M. mycoides. Наконец ошибку нашли: как выяснилось, дело было в том, что выпал один-единственный нуклеотид из жизненно важного гена dnaA. Этот ген необходим для репликации (размножения) ДНК. Потеря нуклеотида привела к сдвигу рамки считывания и превратила генетическую инструкцию в бессмыслицу.

В итоге все трудности остались позади, и 20 мая на сайте журнала Science появилось сенсационное сообщение о создании первых живых существ с синтетическим геномом. Как и в прошлых опытах по пересадке генома, клетки-реципиенты полностью перестроились, подчинившись инструкциям, записанным в их новой синтетической хромосоме. В них не осталось ничего от исходных бактерий M. capricolum: все белки и все свойства клеток стали соответствовать новому геному.



Колонии бактерий с синтетическим геномом (вверху) окрашены в синий цвет, потому что их геном содержит ген lacZ, кодирующий фермент бета-галактозидазу. В питательной среде есть вещество X-gal, превращаемое этим ферментом в синий краситель (5,5'-дибромо-4,4'-дихлоро-индиго). «Дикие» бактерии M. mycoides (внизу) не имеют этого гена, поэтому их колонии остаются белыми. Рисунок из обсуждаемой статьи Gibson et al. в Science



Можно ли называть этих бактерий «синтетическими», «искусственными» — вопрос скорее философский, чем биологический. Некоторые эксперты считают, что нельзя, потому что цитоплазма бактерии-реципиента, в которую был вставлен искусственный геном, не была синтетической. Вентер считает, что можно, потому что после пересадки цитоплазма полностью преобразовалась в соответствии с новым геномом. Ведь генетическое «программное обеспечение», в отличие от компьютерного, само создает себе всё необходимое «железо». Собственно, в прямом экспериментальном доказательстве этого принципа (в котором биологи и без того были уверены на основе более косвенных фактов) и состоит основное философское и мировоззренческое значение работ команды Вентера.

Бактерии с синтетическим геномом нормально живут и размножаются, причем даже немного быстрее, чем некоторые «натуральные» штаммы M. mycoides. Синтетический геном почти не отличается от естественного генома M. mycoides, если не считать нескольких удаленных генов и четырех специально добавленных фрагментов, которые авторы называют «водяными знаками». Эти фрагменты не кодируют белков и не влияют на работу генома. В них условным нуклеотидным кодом записаны имена и электронные адреса ведущих участников проекта. Вентер и его коллеги подчеркивают, что вставлять такие «водяные знаки» в синтетические геномы необходимо, чтобы потом можно было отличить искусственные геномы от естественных.

Из «синтетических микробов» выделили многострадальный геном и отсеквенировали его, чтобы понять, что же в итоге получилось. Было найдено несколько мутаций (нуклеотидных замен), возникших в ходе сборки, которые, по-видимому, не отразились на жизнеспособности бактерий. Один ген, не являющийся жизненно необходимым, был выведен из строя мобильным генетическим элементом (транспозоном), характерным для E. coli. Транспозон успел встроиться во фрагмент синтетического генома, когда тот подвергался клонированию в кишечной палочке. Еще один ген вышел из строя из-за случайно возникшей дупликации (удвоения) фрагмента ДНК длиной в 85 нуклеотидов. В общей сложности в синтетическом геноме удалено или испорчено 14 генов, имеющихся у «диких» M. mycoides.

Важность данной работы в том, что она показала принципиальную возможность целенаправленного проектирования микроорганизмов и техническую осуществимость всех этапов процесса. Для первого раза серьезных изменений в текст генома M. mycoides вносить не стали, но всё еще впереди. В принципе, теперь можно проектировать геном на компьютере, переводить его в формат ДНК и загружать генетическую программу в цитоплазму живой клетки. Выполнение начнется автоматически.

У методики, разработанной Вентером и его коллегами, пока много ограничений. После трансплантации генома в течение какого-то времени в бактериальной клетке присутствует смесь «старых» белков, закодированных в геноме клетки-реципиента, и «новых», закодированных в имплантированном геноме. Очевидно, эти белковые комплекты не должны конфликтовать друг с другом, чтобы клетка могла пережить переходный период. Что будет, если вставить в M. capricolum геном, сильнее отличающийся от ее собственного, чем геном близкого вида M. mycoides? Скорее всего, в недалеком будущем мы узнаем об этом из новых статей Вентера и его коллег.

Что касается опасений, высказываемых некоторыми экспертами относительно новых возможностей для биотерроризма, то об этом пока можно не беспокоиться. Разработанные авторами методы слишком сложны и дороги, чтобы представлять хоть какой-то интерес для злоумышленников. Создание первого «искусственного микроба», абсолютно ничем не примечательного, кроме самого факта своей искусственности, обошлось в 40 млн долларов и 15 лет работы высокопрофессионального коллектива из двух-трех десятков человек. Скорее уж террористы заинтересовались бы сравнительно дешевыми технологиями создания синтетических вирусов, известными с 2002 года (J. Cello, A. V. Paul, E. Wimmer. Chemical Synthesis of Poliovirus cDNA: Generation of Infectious Virus in the Absence of Natural Template // Science. 2002. V. 297. P. 1016–1018).

Более серьезные опасения вызывает намерение возглавляемой Вентером компании Synthetic Genomic, которая финансировала проект, запатентовать новооткрытые методики. Не станет ли Synthetic Genomic монополистом в производстве «софта» для искусственных микробов, подобно Майкрософту?

Источники:
1) Gibson et al. Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome // Science express. 20 may 2010. DOI: 10.1126/science.1190719.
2) Elizabeth Pennisi. Synthetic Genome Brings New Life to Bacterium // Science. 2010. V. 328. P. 958–959.

См. также:
Первая в мире операция по пересадке генома позволила превратить один вид бактерий в другой,

___________________

ссылка : http://elementy.ru/news/431329
_____________________________________________________________________________


Американский ученый Дж. Крейг Вентер сообщил, что сумел сконструировать живую клетку, используя искусственную ДНК . Иными словами, человек впервые своими руками создал жизнь.

«Как бы вы прокомментировали это открытие с религиозной точки зрения? Какие последствия оно может иметь?» – с такими вопросами корреспондент Regions.Ru обратился к священнослужителям.

Протоиерей Александр Борисов, настоятель храма святых Косьмы и Дамиана в Шубине, отметил, что, по его сведениям, речь идет не о живой клетке как таковой.
«Дело в том, что в реально существующую бактерию удалось «встроить» синтезированную ДНК, и она «заработала». Таким образом, удалось создать новый вид бактерий. Была решена чрезвычайно трудная задача. Как было сказано, на ее решение ушло пятнадцать лет, и было потрачено сорок миллионов долларов. Решение этой задачи открывает перспективы создания новых видов бактерий с заранее запрограммированными свойствами», – сказал он.
«Разумеется, как и всякое открытие, оно несет в себе как положительные, так и отрицательные перспективы. Так, оно может привести к созданию новых мощных инфекций, нового бактериологического оружия. Но до этого, по-моему, еще очень далеко. Тем не менее, правильно поступил президент США Обама, призвав вынести этому открытию этический вердикт», – добавил протоиерей.

Протоиерей Борис Михайлов, настоятель храма Покрова Пресвятой Богородицы в Филях, слышал «восторженные и сногсшибательные» комментарии по этому поводу и даже видел эту синтетическую клетку по телевизору.
«Я, конечно, не специалист в этой области, но для меня совершенно очевидно, что создание этой так называемой «живой клетки» и творение жизни Господом Богом – вещи абсолютно разных порядков, между которыми нельзя ставить знак равенства. Это открытие не имеет никакого отношения к жизни в ее религиозном евангельском понимании. Здесь можно говорить лишь о технологически удачном опыте, который, видимо, откроет новые перспективы в развитии биотехнологий», – сказал он

Игумен Мелетий (Соколов), преподаватель Московской духовной семинарии, считает заявление, что человек собственными руками создал жизнь, преувеличением или рекламным трюком.
«Речь, по-видимому, идет о создании модели или об очередной, может быть, удачной попытке «программирования» живой материи. Это явление того же порядка, что и клонирование. В обоих случаях человека нельзя назвать творцом жизни, как бы ему этого ни хотелось», – сказал он
«Только Господь Бог может превратить неживое в живое. Это открытие, как и любое другое не способно поколебать основы религиозного мировоззрения. А ученые в любом случае не должны забывать о той ответственности, которую они несут перед Богом и людьми за попытку вмешиваться в естественные жизненные процессы и за те последствия, к которым это может привести», – добавил игумен.

Священник Георгий Рощин, зам. пред. отдела МП по взаимоотношениям Церкви и общества, полагает, что не стоит спешить с выводами по поводу заявления американского ученого.
«Конечно, это весьма значимое событие в научной жизни. Но не стоит заранее делать далеко идущих выводов. Будем следить за продолжением исследований. Ведь любое такое достижение скрывает за собой проблемы, которые могут встать перед человечеством. И об этом Церковь говорит, когда призывает научное сообщество, ученых, работающих над рискованными проектами, думать о нравственной составляющей их открытий», – подчеркнул он.
«Церковь приветствует научные изобретения, которые способствуют излечению тех или иных заболеваний. Но если исследование приведет к тому, что человек с отвратительной самонадеянностью вообразит себя Богом-Творцом, то для верующего человека, конечно, это недопустимо», – подытожил отец Георгий


«Очередным одурачиванием людей» назвал опубликованную информацию о создании живой клетки председатель Отдела по делам молодежи Рязанской епархии иеромонах Платон (Воробьев).
«Не думаю поэтому, что описания этого достижения соответствуют действительности. И нужно помнить, что последствия от экспериментов подобного рода могут быть страшные», – подытожил отец Платон

Илдус-хазрат Фаиз, заместитель муфтия ДУМ Татарстана, считает, что попытка поставить человека на место Бога – это ослепление гордыней.
«Утверждать, что человек своими руками создал жизнь – это святотатство. Мы создаем те или иные вещи только по внушению Всевышнего, который дал нам разум. Поэтому то, что люди якобы создают искусственно, в основе своей все равно имеет натуральный материал, не сотворенный человеком», – заметил он
«Безусловно, надо всегда думать о нравственном значении научных открытий: где и как оно будет использоваться. Главное, чтобы созданное нами не обернулось против нас», подытожил Илдус-хазрат

Заместитель муфтия Татарстана по религиозным вопросам Сулейман-хазрат Зарипов уверен, что открытия, неугодные Богу, сделаны не будут.
«Я как человек который знаком с текстами не только Корана, но Евангелия и Торы, хочу напомнить, что в них есть тексты, касающиеся будущего человечества. Исходя из них, становится ясно, что человек не сможет клонировать себя. Возможно, будут опыты, но они не увенчаются успехом. Если бы Всевышний допустил этому случиться, то такое значимое событие обязательно было бы отражено в священных книгах», – заметил он
«Зачастую ученые ослеплены гордыней и не знают главного: что мир создан Господом и без Его воли они не смогут продвинуться в своих исследованиях», – подытожил Сулейман-хазрат.

Сильно сомневается в реальности открытия американского ученого председатель Духовного управления мусульман Кабардино-Балкарии Анас-хаджи Пшихачев.
«Как верующий человек, я не могу поверить, что кому-то удалось искусственно сконструировать жизнь. Жизнь дает Всевышний, а не какой-то ученый», – сказал он
«если подобные эксперименты будут продолжаться, то вряд ли они принесут пользу. Нельзя искусственно создать живой организм!
«Если все-таки предположить, что в ближайшем будущем будет искусственно создан человек, то такой эксперимент приведет к прямым нарушениям цепи природных явлений», – заключил Анас-хаджи

Максуд Садиков, вице-президент, ректор Северо-Кавказского университетского центра исламского образования и науки, призвал религиозную общественность не опасаться научных открытий.
«Любое новое открытие – это выявление и выяснение силы и мощи нашего Создателя. Поэтому их не нужно бояться», – сказал он
«открытие Вентера не принесет ничего плохого». «Если ученый сумел создать живую клетку, что вообще очень маловероятно, то, скорее всего, она работает на автоматическом механизме и в ней нет души, которая всегда только и беспокоила и будет беспокоить представителей религий. Вряд ли сконструированная американским ученым клетка окажется поистине живой», – заключил Максуд Садиков.

Раввин Цви Пинский, директор санктпетербурского еврейского общинного центра «Бейт-Хабад», отметил, что с науки никто не снимал этическую ответственность.
«С точки зрения иудаизма, этот вопрос неоднозначен. Иудаизм никогда не чурался достижений науки, если они не противоречат Галахе (еврейскому закону). Например, в рамках еврейской религии разрешено искусственное оплодотворение. Но, конечно же, вопрос о создании «искусственной жизни» порождает ряд этических проблем. Вопрос здесь стоит так: можем ли мы создавать новую жизнь не тем способом, как это установил Бог? Смеем ли мы присваивать себе полномочия Творца?», – заметил он.
«Великий мудрец Маймонид, живший в XIII веке, рассуждая о запрете смешивать духовно несовместимые сущности, такие как мясо и молоко, шерсть и лен, пишет: «Смешивая различные сущности, мы как бы утверждаем, что Бог не до конца создал мир, что мы можем творить и без Бога». С этой точки зрения, такое новшество как искусственное создание новой жизни, будет безнравственным.
С другой стороны, иудаизм вовсе не отрицает идею вмешательства в «естественный» ход вещей. Сама Тора обязывает людей лечиться у врачей, если есть такая необходимость. То есть логика:
«Бог сделал меня больным, как я смею нарушать Его промысел? Бог не дал мне детей, будет грешно делать попытки забеременеть» – иудаизму глубоко чужда. И с этой точки зрения, чем создание новой клетки будет отличаться от того же искусственного оплодотворения?» – сказал раввин.
«Однозначный ответ здесь могут дать только выдающиеся современные раввины, авторитеты в области иудейского закона. И если создание новой клетки из научных прогнозов становится практической реальностью, то, безусловно, решение по этому поводу будет вынесено. А пока этого не произошло, я могу высказать только самые общие соображения: здесь принципиально то, какова цель. Если мы просто балуемся с наукой, ставим опыты, то это неприемлемо. Если же, например, создание новой клетки может принести пользу людям, решить медицинские проблемы – то это, безусловно, позитивно и осмысленно», – подытожил он.

Священник Эдуард Шатов, директор центра семьи Римско-Католической архиепархии Божией Матери в Москве, выразил сомнение, что сообщение об открытии Вентера соответствует действительности.
«Но в любом случае к исследованиям такого рода следует подходить очень осторожно, ставя на первый план этические вопросы, а не цели эксперимента», – сказал он
«в настоящий момент может показаться, что наука способна творить чудеса, – в частности, создавать живую материю и манипулировать ею. Поэтому следует ответить себе на вопрос: допустимо ли это этически, а также возможно ли это принять и распоряжаться этим разумно? Ответ таков: в современном контексте Церковь призывает воздерживаться от подобных исследований, особенно с живой материей и созданием живых клеток».
«В Библии говорится, что сердце человеческое сложно и больно. Это значит, что даже самые выдающиеся открытия, которые в принципе могли бы пойти на благо всему человечеству, вызывают лишь искушение стать богом без Бога. Иными словами, снимаются фактически все этические запреты, начинается полная манипуляция человеческой природой. При этом вопрос, кто такой человек и в чем смысл его жизни, даже не ставится», – отметил священник.
Касаясь последствий данного открытия, Эдуард Шатов заметил, что:
«оно представляет человека больше вещью, которой можно манипулировать, нежели личностью, заставляя нас смотреть на него как на обычную материю, которой можно распоряжаться ради своих утилитарных целей"
В этой связи отец Эдуард призвал всех ученых воздержаться от подобных исследований или хотя бы быть очень осторожными в своих экспериментах.

Пресвитер Виталий Власенко, руководитель отдела внешних церковных связей Российского союза евангельских христиан-баптистов, не верит заявлению американского ученого.
«Я как представитель религиозной общественности могу ответственно заявить, что такое заявление, скорее всего, является «уткой» или ловким пиарским ходом. Человек не может создать полноценную живую клетку. Это будет лишь ее подобие и недостатки такой клетки очень быстро обнаружатся», – сказал пресвитер
«Человек может создать робота, наделенного интеллектом. Но только Богу принадлежит свойство создавать живые организмы», – подытожил Виталий Кириллович.

Обычной газетной «уткой» назвал опубликованное в СМИ сообщение о создании американским ученым Вентером живой клетки из искусственной ДНК председатель Союза православных граждан Валентин Лебедев.
«Вряд ли эта «живая клетка» может размножаться, как то себе представляют большинство обывателей. Поэтому комментировать этот эксперимент с серьезной точки зрения совершенно невозможно», – сказал он
Валентин Владимирович рассказал, что недавно ему удалось побеседовать с учеными биологами, которые в ходе разговора ему сообщили, что «органическая клетка не может сама по себе родиться из неорганической материи». «И доказательства тому вокруг нас: в нынешних жизненных условиях все неорганическое отчего-то не спешит превращаться в органическое», – заключил Валентин Лебедев.
_____________________

Ну что еще они могли сказать в ответ на очередное крушение их обычных "аргументов". :>