Крейг Вентер - Жизнь на скорости света. От двойной спирали к рождению цифровой биологии

Стэнфордская команда, в частности, использовала свой виртуальный организм для выяснения деталей клеточного цикла, который включает в себя три фазы: инициацию, репликацию и цитокинез (деление клетки). Они заметили большую изменчивость длительности первых фаз по сравнению как с последней, так и с продолжительностью всего клеточного цикла. Длина отдельных фаз клеточного цикла варьирует от одной виртуальной клетки к другой, в то время как длина всего цикла значительно более постоянна. На основании поведения модели стэнфордцы предположили, что устойчивость полного клеточного цикла – результат работы встроенного механизма отрицательной обратной связи, компенсирующего различия в длительности отдельных фаз. Клетки, приступающие к репликации ДНК позднее, имеют время, чтобы накопить большой запас свободных нуклеотидов. Сама фаза репликации, на которой эти нуклеотиды расходуются на создание новых цепочек ДНК, после этого проходит относительно быстро. С другой стороны, клетки, которые проходят начальную фазу быстрее, не имеют избытка нуклеотидов. В этом случае скорость репликации ограничивалась скоростью производства нуклеотидов.

Команда Стэнфордского университета имитировала последствия мутаций для всех 525 генов, чтобы определить, остаются ли мутантные клетки жизнеспособными. Примерно 80 % их предсказаний при сравнении с экспериментальными данными по реальным клеткам оказались верны. Но как раз там, где результаты отличались, это порождало интересные объясняющие идеи. Согласно модели, утрата гена lpdA должна убивать клетку; на самом же деле такой штамм остается жизнеспособным, хотя растет на 40 % медленнее, чем дикий тип. Команда решила, что какой-то другой белок должен выполнять задачу, близкую к таковой для lpdA . При внимательном рассмотрении они нашли подходящий ген – nox , сходный с lpdA по последовательности и функции. Когда они поправили свою модель, добавив эту дополнительную функцию nox , виртуальная клетка тоже стала жизнеспособной. Расхождения в темпах роста мутантов in silico и в реальности помогли команде тонко отрегулировать скорость наработки ферментов в электронных клетках, чтобы сделать модели более реалистичными и более похожими на M. genitalium .

Подобные модели в конечном счете позволят нам просчитывать сценарии типа «что будет, если…», обычные в области инженерии. Так же как инженер подбирает на компьютере ширину несущего элемента конструкции небоскреба, чтобы увидеть, что происходит с его сейсмоустойчивостью, системные биологи смогут манипулировать программным обеспечением жизни для изучения его влияния на жизнеспособность клеток. Будет интересно сравнить сконструированный нами минимальный геном с компьютерными моделями, чтобы увидеть, насколько мы способны предсказывать последствия изменений генов.

Понятно, что эта революция в биологическом моделировании потребует существенного увеличения мощности компьютеров. В настоящее время имитация деления одной клетки отнимает у стэнфордской команды около десяти часов и генерирует полгигабайта данных. Между тем первая виртуальная бактерия с ее 525 генами намного проще, чем E. coli , у которой 4288 генов, которая делится каждые 20–30 минут и в которой происходит гораздо больше молекулярных взаимодействий, каждое из которых еще больше удлинило бы время, нужное для проведения имитации. Можно представить, насколько трудным окажется создание виртуальных версий еще более сложных, эукариотических клеток.

Предстоит еще многое узнать о живых организмах, чтобы понимать, как линейная программа разворачивается в трехмерный мир клетки. Важный шаг в этом направлении был сделан другим ученым из Стэнфорда, Люси Шапиро. Ее биография необычна: она пришла в науку из высокого искусства и занялась биологией развития, сосредоточившись на асимметрично устроенной пресноводной бактерии Caulobacter crescentus. В 2001 году моя команда сотрудничала с Люси при прочтении генома Caulobacter, 4 016 942 пары оснований которого кодируют 3767 генов {201} 201 Nierman, W. C., T. V. Feldblyum, M. T. Laub, I. T. Paulsen, K. E. Nelson, J. A. Eisen, J. F. Heidelberg, M. R. Alley, N. Ohta, J. R. Maddock, I. Potocka, W. C. Nelson, A. Newton, C. Stephens, N. D. Phadke, B. Ely, R. T. DeBoy, R. J. Dodson, A. S. Durkin, M. L. Gwinn, D. H. Haft, J. F. Kolonay, J. Smit, M. B. Craven, H. Khouri, J. Shetty, K. Berry, T. Utterback, K. Tran, A. Wolf, J. Vamathevan, M. Ermolaeva, O. White, S. L. Salzberg, J. C. Venter, L. Shapiro, and C. M. Fraser. “Complete genome sequence of Caulobacter crescentus .” Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 27 марта 2001, 98 (7), стр. 4136–4141. Erratum in Proc. Natl. Acad. Sci. USA , 22 мая 2001, 98(11), стр. 6533. Eisen, J. [corrected to Eisen, J. A.]. .

Работа Люси Шапиро продемонстрировала, что бактерии – это не просто бесструктурные мешочки с белками: у них есть четко выраженные внутриклеточные отсеки со специфичными белковыми роботами, занимающими особые места в организации сложных биохимических процессов, таких как клеточный цикл и деление. Шапиро впервые выявила, что репликация бактериальной ДНК пространственно организована и что деление клеток зависит от этой организации и от расхождения двух образовавшихся молекул ДНК к противоположным концам клетки. Ее команда также доказала существование ведущих генетических регуляторов клеточного цикла. Например, регуляторный ген, участвующий в построении жгутика (выроста в виде бича, позволяющего организму плавать), жизненно необходим и для клетки в целом. Они обнаружили, что события жизненного цикла бактерии, ранее изучавшиеся как изолированные, на самом деле связаны общими регуляторами. Всего один такой регулятор управляет активностью 95 других генов. Применив более совершенную версию той методики, которую мы отработали на микоплазме, Шапиро каталогизировала до последней буквы те части генома, что были необходимы для выживания Caulobacter crescentus, – около 12 % генетического материала бактерии. К необходимым элементам относятся не только гены, кодирующие белки, но также регуляторные участки и, самое интересное, 91 небольшой сегмент ДНК с неизвестными функциями. Прочие 88 % генома можно разрушать, не лишая бактерию способности к росту и размножению {202} 202 Christen, Beat, Eduardo Abeliuk, John M. Collier, Virginia S. Kalogeraki, Ben Passarelli, John A. Coller, Michael J. Fero, Harley H. McAdams, and Lucy Shapiro. “The essential genome of a bacterium.” Molecular Systems Biology 7, article number: 528. .

Будущее биологических исследований будет основано в огромной степени на сочетании информатики и синтетической биологии. Прекрасное представление об этом будущем нам может дать серия конкурсов, которые завершаются замечательным событием, происходящим каждый год в Кембридже (штат Массачусетс), – собранием блестящих молодых умов, которое дарит мне большую надежду на будущее. Международный конкурс генно-инженерных машин ( iGEM ) приглашает старшеклассников, студентов и предпринимателей, чтобы перетасовать стандартный набор подпрограмм ДНК в нечто новое. Победитель получает символический приз – большой алюминиевый блок лего, символизирующий убеждение, что стыкуя и перестыковывая подпрограммы, можно построить жизнь.