С чего начинается жизнь

28 октября 2005

Печать Печать

Жизнь начинается с 350 генов. Инженерный подход к сборке клетки ничем не отличается от сборки телевизора или компьютера.

Жизнь начинается с 350 генов. Инженерный подход к сборке клетки ничем не отличается от сборки телевизора или компьютера.



Во-первых, нужно иметь схему материальной "начинки" прибора и схему его работы. Принцип "сделать, чтобы понять" обычно работает на достаточно простых устройствах, содержащих минимальное количество деталей. Одной из простейших биологических машин, известной генетикам, остается одноклеточный микроорганизм — микоплазма.

Прародители микоплазмы — знаменитые молочнокислые палочки, которые широко используются для приготовления простокваши, йогуртов. Около миллиона лет назад основатели нового вида бактерий — микоплазмы — утеряли значительную часть хромосомы и претерпели серьезное упрощение в своей организации. Кольцевая хромосома микоплазмы сейчас содержит около 500 генов, а вся хромосома состоит из 580 000 нуклеотидов (звеньев в цепочке ДНК). Микоплазма утеряла клеточную оболочку и превратилась в настоящего паразита, который 99% времени проводит внутри клеток хозяина.

В работе, проведенной американскими учеными, изучался подвид микоплазмы, который чаще всего паразитирует в эпителиальном покрове мочеполовой системы человека. Микоплазма у многих людей живет в клетках почти анонимно, не давая никаких симптомов заражения. Однако некоторые подвиды бактерий вызывают иммунную реакцию, которая проявляется в виде хронического воспаления мочеполовых путей. Этот микроб относится к группе сексуально переносимых возбудителей. Микоплазма предпочитает размножаться в клетках хозяина, хотя способна выживать и без помощи других клеток.

Современная молекулярная биология оснащена молекулярными "ножницами", "иголками" и "нитками" для сборки ДНК. Инструментарий генной инженерии позволяет очень точно вырезать по одному гену из кольцевой хромосомы, зашивая "стык в стык" концы оставшейся хромосомы. Подобно электромонтеру, вооруженному тестером, генетик проверяет функциональную активность каждого гена, выключая его из линейной цепи. Таким путем сотрудники Института генетических исследований в Роквилле, США, проверяли роль каждого из 500 генов в выживании микоплазмы.

Довольно быстро удалось выяснить, что одиночное избирательное выключение одного из 150 генов не влияло на жизнеспособность бактерий. Оставшиеся 350 генов оказались незаменимыми "игроками", хотя принадлежали к разным группам белков и ферментов клетки. "Машина жизни" не "заводилась", если удаляли или повреждали любой из оставшихся 350 генов.

Определение 350 незаменимых генов бактерии — это огромный прорыв в человеческих знаниях о сущности живого. Фактически определены исходные незаменимые буквы алфавита жизни, и с помощью компьютера предстоит найти правила сборки этих букв в слова и предложения, которые будут соответствовать элементарным функциям клетки. Каждый из генов, кодирующий белковую молекулу, участвует в сборке разных слов и предложений. На языке клеток — это сборка "моторов" для перемещения, "помп" для перекачки полезных питательных веществ в клетку, откачки шлаков и прочего оборудования для поддержания порядка (гомеостаза). Значит, инструкции ДНК прочитываются одними машинами для сборки других машин. Таким осторожным манипулированием ученые начали продвигаться вперед, поскольку имеют дело с объектом, принцип работы которого остается неизвестным.

Теперь химикам предстоит синтезировать все 350 генов и расположить их в естественном порядке на матрице ДНК. Затем такая рукотворная хромосома будет перенесена в тело бактерии, чтобы проверить, как она работает. Предварительно с помощью компьютера будет сделана программа, показывающая наиболее вероятные способы сочетания 350 генов. Разные комбинации активных генов должны обеспечить главные функции клеток: транспорт пищевых веществ, образование биологического "топлива", деление и подвижность, гомеостаз и другие физиологические реакции. На этом пути будет подсчитано, какие комбинации генов обеспечивают надежное устройство машин и приборов клетки. Кроме того, этот же подход позволит понять программу, которая заставляет разрозненные части работать как целое.

Инструкции, заложенные в ДНК и генах, должны быть аккуратно прочитаны молекулярными машинами и реализованы в органеллы — ее важнейшие составные части. В результате будет создана программа участия 350 генов в сборке каждой органеллы. Пока остается неясным, какая информация и какие силы заставят собранные детали клеток согласованно и устойчиво работать. Только манипуляции с искусственной хромосомой позволят выяснить участие генов в сборке инструментария и программ живых одноклеточных систем. Возможно, что правильно собранные детали начнут самостоятельно работать без дополнительной информации.

В июле 2002 года впервые удалось создать жизнь из обычных химических элементов :

Американские учeные из университета Нью-Йорка в Stony Brook создали первый искусственный вирус. Биохимикам удалось с нуля, из химикатов, синтезировать возбудителя полиомиелита.

Это первый раз со времeн зарождения жизни на земле, когда биологический объект создан лишь при помощи химии, из неживой материи.

Пользуясь тем, что геном вируса полиомиелита полностью расшифрован, группе исследователей под руководством профессора Экарда Уиммера (Eckard Wimmer) удалось собрать точную последовательность нуклеотидов, соответствующую естественному образцу. Затем они поместили этот "наследственный" материал в раствор, подбный цитоплазме, где, по информации, заложенной в ДНК, были синтезированы необходимые белки.

"Это исследование красиво", — сказал вирусолог Олен Кью (Olen Kew) из Центра по контролю за заболеваемостью в Атланте, США. Отдельные части работы — изготовление цепочки ДНК по известной последовательности нуклеотидов, выращивание вируса вне клетки, — были известны и раньше. "Сила этой разработки в том, что Уиммеру удалось свести всe вместе".

Для сборки вируса учeные использовали только открытую информацию. Они применяли рецептуры, опубликованные в Интернете и генетические последовательности, полученные по почтовому заказу.

Создав вирус, выглядевший так же, как его природный образец, исследователи, для доказательства активности микроба, заразили им мышей. Животные погибли при классических симптомах полиомиелита.

В природе вирус полиомиелита поражает человека и передаeтся по воздуху.

"Мы решили заняться этой работой, потому что нужно было доказать, что это может быть сделано, и это нам удалось, — сказал доктор Уиммер. — Успех биомедицинских исследований имеет и светлые, и тeмные стороны. Это вообще свойственно научному прогрессу. Это новая реальность, новое мышление".

Вирус полиомиелита — это один из самых примитивных среди известных вирусов. "Это было очень просто сделать", — заявил BBC News исследователь Джеронимо Целло (Jeronimo Cello).

Доктор Уиммер предупредил, что, несмотря на то, что некоторые вирусы в природе больше не встречаются, а сохранeнные штаммы тщательно охраняются (как в случае с вирусом оспы), "миру стоит быть настороже", потому что биохимики могут построить вирус заново, используя сведения о его устройстве.

В ответ на критику по поводу потенциальной опасности подобных исследований, открывающих дорогу биотерроризму, учeные подчеркнули, что в мире есть всего несколько людей, обладающих достаточными знаниями, чтобы изготовить вирусы по известным геномам.

Тем не менее, Кью отметил, что искусственное создание любого вируса, геном которого известен, — это дело времени. На сегодня расшифрован (и опубликован) наследственный материал практически всех возбудителей особо опасных инфекций — вирусов лихорадки Эбола, гриппа, оспы, иммунодефицита человека и многих других.

Практическим результатом этого важного научного открытия станет, возможно, пересмотр политики мирового сообщества по отношению к вакцинации от полиомиелита. Эта инфекция близка к исчезновению в природе благодаря длительным и повсеместным прививкам. Всемирная организация здравоохранения была намерена прекратить вакцинацию после победы над вирусом. Теперь, как считает доктор Уиммер, необходимо продолжать прививать население.

Аккумулятор Новостей, 12.07.2002

Источник: Lenta.ruпостроить еще один искусственный вирус.

Кстати :

Крег Вентер — основатель и бывший президент знаменитой компании Celera Genomics, прославившейся своей ролью в работах по расшифровке генома человека. Именно его геном (по незнанию) расшифровывали специалисты Celera, и именно ему принадлежит заслуга в создании первого предприятия, за полмиллиона долларов предлагающего услугу декодирования генома заказчика.

Нынешнее место работы Крега Вентера (Craig Venter) — пост президента некоммерческой научно-исследовательской организации под названием Институт альтернативных биологических видов энергии (Institute for Biological Energy Alternatives — IBEA).

Именно этот институт получил грант на три миллиона долларов, а потом еще и на девять от Министерства энергетики США на разработку инструментария для создания искусственных живых организмов.

Термином "искусственный живой" учёные называют микроорганизм, геном которого (уникальная программа, определяющая все физиологические особенности данного живого существа) создан "с нуля", руками самих экспериментаторов. При этом вирусы не являются живыми организмами. Каждый вирус — всего лишь генетическая программа (геном), спрятанная в белковую оболочку. Заражая живую клетку, вирус подменяет её рабочую программу своей, заставляя вырабатывать новые копии себя любимого. Запомните этот момент — он понадобится далее.

Вирус, созданный в IBEA, носит название phi-X174. Это существующий в природе, безопасный для человека и животных бактериофаг (он заражает только определённые бактерии). Длина его генома составляет около шести тысяч букв генетического алфавита и последовательность их расположения известна учёным.

Воспользовавшись этими сведениями, Вентер с коллегами использовали собственную оригинальную методику для сборки генома из смеси разрозненных белков и особых химических веществ: смесь была помещена в одну пробирку и самостоятельно собралась в генетическую цепочку, идентичную геному phi-X174. После этого собранный геном был имплантирован в живую клетку, которая выполнила роль станка с числовым программным управлением и начала производить копии вируса.

Учитывая то, что вирус, созданный группой Вентера, имеет природный прототип, его нельзя называть искусственным в полном смысле этого слова. Но суть достижения в другом — в успешном создании метода, который позволяет быстро собирать достаточно длинные генетические последовательности. Группе Эккарда Вимера — на сбор генома, по длине примерно одинакового с геномом phi-X174, потребовалось три года, тогда как метод Вентера позволяет проделать всё за четырнадцать дней. Собственно этот факт и стал решающим для экспертов, которые рассмотрели отчёт о проделанной работе и приняли решение опубликовать его.

В ближайшее время полное описание разработанного в IBEA механизма появится в Proceedings of the National Academy of Sciences. Патентовать разработку не будут, поэтому воспользоваться ею смогут все желающие.

Впрочем, разработка техники быстрой генетической сборки — только промежуточный результат, который должен помочь в дальнейшей работе по созданию сравнительно более сложных, нежели вирус, микроорганизмов: Вентер с коллегами надеются самостоятельно разработать генетическую программу микроба, который смог бы поддерживать собственную жизнедеятельность и параллельно выполнять нужные его создателям функции. За основу будет взята программа, созданная природой — геном микроорганизма Mycoplasma genitalium. Её оптимизируют (упростят) и наделят новыми участками. В конце концов искусственый микроб сможет работать на благо человека — перерабатывая промышленные отходы, помогая в производстве экологически чистых видов топлива, а может быть даже и занимаясь облагораживанием поверхности других планет.

  • 771
  • Игорь Полеванов
комментарии

Только зарегистрированные пользователи могут добавлять комментарии. Войдите, пожалуйста.