Вадим Левитин - Удивительная генетика

Но Вентер не остановился на полпути: ведь существуют еще и бактерии, которые тоже подлежат оптимизации. Крэйг Вентер решил, что для его целей больше всего подходят микоплазмы – очень мелкие бактерии, сопоставимые по размерам с крупными вирусами.

Если воздействовать на бактериальную клетку определенными веществами (например, лизоцимом), можно получить формы, лишенные клеточной стенки. Такие «рукотворные» микроорганизмы, получившие название L-форм, чрезвычайно уязвимы и весьма чувствительны к факторам среды. Они способны выживать только в особо благоприятных условиях, когда внешнее осмотическое давление находится в равновесии с внутриклеточным.

Однако микроорганизмы без клеточной стенки найдены и в природе. К их числу относятся микоплазмы – паразиты животных, растений и человека, наиболее примитивные бактериоподобные существа, имеющие клеточное строение. К тому же они самые мелкие из всех бактерий и по размерам приближаются к вирусам. Если, например, вирус гриппа чуть меньше одной десятой микрона, а размеры вируса коровьей оспы колеблются в пределах от 0,22 до 0,26 микрон, то диаметр микоплазмы, вызывающей повальное воспаление легких у рогатого скота, находится в пределах 0,1–0,2 мкм. При этом неприхотливые микоплазмы в отличие от вирусов могут расти и размножаться на синтетической питательной среде, то есть являются полноценными одноклеточными микроорганизмами.

Микоплазменная клетка построена из сравнительно небольшого числа молекул (около 1200), но имеет полный набор компонентов, необходимых для самостоятельного выживания (ДНК, РНК, белки), и содержит около трехсот ферментов. По некоторым признакам микоплазмы стоят ближе к животным, чем к растениям: их клетки заключены в гибкую цитоплазматическую мембрану, а их липидный состав близок к аналогичному показателю в животных клетках.

Крэйг Вентер работал с Mycoplasma genitalium – условно-патогенным обитателем мочеполовых путей, который состоит всего из 517 генов (из них 480 кодируют белки, а 37 – различные молекулы РНК), тогда как нуклеоид средней бактериальной клетки содержит от двух до четырех тысяч генов. Такая неслыханная простота делает микоплазмы идеальным объектом для генно-инженерных манипуляций.

Александр Чубенко отмечает:

Для выживания простейшей «версии» микроорганизма эти гены (имеется в виду полный набор из 517 генов. – Л.Ш .) не являются обязательными. Аккуратно, один за другим, вырезая эти гены из хромосомы M. genitalium, исследователи установили, что в ее лаконичном геноме только около 300 генов действительно необходимы для существования бактерии в питательном бульоне.

Проект «Минимальный геном» направлен на создание простейшего из простейших жизнеспособного одноклеточного организма. После этого можно будет проводить «апгрейдинг устройства с минимальной конфигурацией». В обычной бактериальной клетке избыточная продукция естественных метаболитов или синтез белка, закодированного в трансгене, конфликтует с основными программами, записанными в тысячах генов и обеспечивающими выживание клетки в природных условиях. В клетке с минимальным геномом все ресурсы, кроме необходимых для жизни и деления в тепличных условиях биореактора, будут направлены на синтез необходимых человеку белков.

Микоплазменный геном сотрудники института Крэйга Вентера собрали в 2008 году, а в 2010-м был предпринят решающий эксперимент, вобравший в себя все многолетние наработки. Синтетический геном бактерии Mycoplasma mycoides длиной более миллиона нуклеотидов внедрили в бактерию другого вида – Mycoplasma capricolum, ДНК которой была заранее удалена. Клетка, где поселился геном-агрессор, отныне выглядела как бактерия Mycoplasma mycoides, успешно размножалась и синтезировала именно те белки, которые ей и положено синтезировать.

Разумеется, никто не утверждает, что Крэйгу Вентеру действительно удалось создать искусственную жизнь. Не следует забывать, что Вентер работал исключительно с геномом, а цитоплазму и внутриклеточные органеллы использовал в готовом виде.

Австрийский биолог Маркус Шмидт пишет:

ДНК составляет примерно один процент сухого веса клетки. Если мы синтезировали всего один процент содержимого клетки, то у нас нет никакой причины утверждать, что мы создали живую клетку. Ведь нам не по силам пока синтезировать цитоплазму. Этого не делал никто.

Однако недооценивать и работы Вентера тоже не стоит, поскольку современные биотехнологии находят сегодня очень широкое применение. Так, совсем недавно ученые сумели «приручить» кишечную палочку – бактерию Escherichia coli, внедрив в нее гены полыни и дрожжей. Отныне она будет синтезировать артемизинин – лекарство, получаемое из однолетней полыни и незаменимое при лечении малярии, которой ежегодно заболевает около 250 миллионов человек. А уже знакомый нам Джей Каслинг собирается наладить массовый выпуск этого препарата и обещает снизить его цену с 2,2 доллара до 25 центов.

В обозримом будущем модифицированные бактерии помогут людям заселить землеподобные планеты – Марс или даже Венеру. А почему бы и нет? В полярных шапках Красной планеты хватает воды, а разреженная марсианская атмосфера, состоящая в основном из двуокиси углерода, может обеспечить неплохой парниковый эффект, если ее дополнительно насытить газами вроде метана. На Земле до сих пор существуют древние бактерии (археи), которые гораздо примитивнее обычных микроорганизмов и могут выживать в исключительно неблагоприятных условиях.

Например, некоторые археи имеют оптимальную температуру роста свыше 100 °C, за что получили название экстремальных термофилов. Прокариоты этой группы обитают на океанском дне, на глубинах порядка двух с половиной километров, где давление составляет 260 атмосфер, а температура воды в зонах выхода горячих термальных источников достигает 250–300 °C. Описаны археи, предпочитающие всему на свете кислую среду, и такие анаэробные формы, метаболизм которых связан с молекулярной серой. Надо сказать, что метаболизм этих необычных микроорганизмов в высшей степени уникален и никогда не встречается у типичных бактерий или эукариот. Например, только у архей обнаружены бесхлорофилльный фотосинтез и особый тип анаэробного (бескислородного) дыхания, в процессе которого происходит образование метана. Такие архебактерии получили название метанобразующих. Кстати, весьма любопытно, что среди прокариот этой группы отсутствуют патогенные и паразитические формы.

Древние бактерии (археи) под микроскопом

Вскоре после успеха Крэйга Вентера и его команды профессор Принстонского университета Майкл Хечт создал гены, кодирующие не существующие в природе белки. Белковая молекула построена всего из 20 аминокислот, однако этого более чем достаточно, поскольку в состав белковой молекулы входит несколько сотен аминокислот. Если их перетасовать, мы получим новый белок с принципиально иными свойствами. Число мыслимых комбинаций многократно превышает количество реальных белков, но это не означает, что любая комбинация даст на выходе работоспособный продукт. Одни белки окажутся нестабильными, другие – токсичными, ну а третьи – просто бесполезными. И все же среди бесчисленного множества виртуальных белков наверняка должны отыскаться аминокислотные последовательности, способные катализировать нужную организму реакцию. Именно такие белки и попытались создать принстонские ученые.