Несколько лет назад биологи создали одноклеточный синтетический организм, который, имея всего 473 гена, был самой простой живой клеткой среди всех известных науке. Однако этот бактериеподобный организм странно вёл себя в процессе роста и деления — производя клетки совершенно разных форм и размеров. Теперь же учёные определили семь генов, которые можно добавить к геному синтетической клетки, чтобы укротить её неуправляемую природу и заставить нормально расти и аккуратно делиться. Это достижение — результат сотрудничества Института Джона Крейга Вентера (J. Craig Venter Institute, JCVI), Национального института стандартов и технологий (NIST) и Центра изучения частиц и атомов Массачусетского технологического института (MIT).
Выявление этих генов — важный шаг на пути у созданию синтетических клеток, способных делать что-то полезное: производить продукты питания, топливо, перерабатывать отходы, обнаруживать очаги заболевания в организме и доставлять к ним лекарства или даже вырабатывать их на месте.
Но чтобы создать клетку, которая будет делать то, что нам нужно, для начала полезно вообще понимать, из чего состоят клетки, каковы, в деталях, их минимальные функциональные части, как они работают и сочетаются друг с другом, как организованы, в т.ч. на генетическом уровне, самые базовые процессы: питание, рост, деление. Без этого фундамента всё перечисленное выше останется мечтами.
«Мы хотим понять фундаментальные правила проектирования жизни, — рассказывает Элизабет Стрыхальски (Elizabeth Strychalski), соавтор исследования и руководительница Группы клеточной инженерии NIST. — Если эта клетка поможет нам открыть и понять эти правила, мы будем на коне».
Джон Крейг Вентер в коллегами сконструировали первую клетку с синтетическим геномом ещё в 2010 году. Они не построили эту клетку полностью с нуля. Вместо этого они начали с клеток очень простого типа бактерий, называемых микоплазмой. Они уничтожили ДНК в этих клетках и заменили её ДНК, которая была разработана на компьютере и синтезирована в лаборатории. Это был первый организм в истории жизни на Земле, обладающий полностью синтетическим геномом. Они назвали его JCVI-syn1.0, или Mycoplasma laboratorium.
С тех пор учёные работают над тем, чтобы свести этот организм к минимуму генетических компонентов. Сверхпростая клетка, созданная пять лет назад и получившая название JCVI-syn3.0, была, пожалуй, слишком минималистичной. Теперь исследователи добавили к геному этой клетки 19 генов, включая семь, необходимых для нормального деления, создав таким образом новый вариант, JCVI-syn3A. Этот вариант имеет менее 500 генов. Это довольно мало. Для сравнения, в клетке кишечной палочки E. coli около 4000 генов, в человеческой клетке — около 30 000 (под генами здесь подразумеваются открытые рамки считывания, то есть последовательности нуклеотидов, способные кодировать белок).
Работа по идентификации этих семи дополнительных генов заняла годы кропотливых усилий группы синтетической биологии JCVI, возглавляемой соавтором работы Джоном Глассом (John Glass). Один из ведущих авторов Лицзе Сунь (Lijie Sun) сконструировал десятки вариантов штаммов, систематически добавляя и удаляя гены. Затем исследователи наблюдали, как эти генетические изменения влияют на рост и деление клеток.
Роль NIST состояла в том, чтобы измерять полученные изменения под микроскопом. Это было непросто, потому что клетки должны были быть живыми для наблюдения. Использование мощных микроскопов для наблюдения мёртвых клеток относительно легко. Визуализация живых клеток намного сложнее.
Держать эти клетки на месте под микроскопом было особенно трудно, потому что они очень мелкие и хрупкие. В одной бактерии кишечной палочки их поместилась бы сотня или больше. Малейшие приложенные усилия могли порвать их на части.
Чтобы решить эту проблему, Стрыхальски и соавторы из Массачусетского технологического института разработали микрожидкостный хемостат — своего рода миниаквариум, — в котором клетки можно было держать сытыми и счастливыми под световым микроскопом. В результате удалось получить покадровое изображение того, как синтетические клетки росли и делились.
Сличив результаты микроскопиии жизнедеятельности клеток JCVI-syn3.0 с видео, демонстрирующим жизненный цикл новых синтетических клеток JCVI-syn3A, учёные отметили, что если первые делятся на клетки разной формы и размера, часто образуя нити, то последние делятся на клетки значительно более одинаковых формы и размера.
Это большой успех, но, как отмечает Элизабет Стрыхальски, «жизнь всё ещё остаётся чёрным ящиком»: учёные оказались ближе к детальному понимаю работы клетки, но не достигли его. Так, они вполне понимают механизм работы двух из семи добавленных в новый синтетический организм генов, понять функционал остальных им ещё предстоит.