Расшифрованная жизнь. Мой геном, моя жизнь - Крейг Вентер

Некоторые СМИ, разочарованные объявлением о синтезе «всего-навсего» вируса вместо долгожданной живой искусственной клетки, предпочли никак не реагировать на это событие. (Меня позабавило, как сильно изменился в последнее время тон освещений в прессе моих достижений – от глубокого скептицизма в недавнем прошлом до сожаления, что я сообщаю «всего лишь» о синтетическом вирусе, а не о новой форме жизни.) Мнения ученых тоже разделились. Экард Уиммер из Университета Стоуни-Брук, потративший 3 года на создание полиовируса, назвал нашу работу «очень толковым исследованием», но для всех остальных наш вирус не представлял собой ничего особенного{227}.

Тем не менее наш успех оказался достаточно впечатляющим, чтобы Ари Патринос стал президентом моей новой компании Synthetic Genomics, учрежденной специально для развития этого исследования. А мы с Хэмом Смитом убедили Клайда Хатчисона перейти в Институт Вентера на полную ставку для участия в проекте создания синтетического генома на основе Mycoplasma genitalium, огромного амбициозного проекта, сравнимого с воссозданием фага. Мы использовали М. genitalium наряду с Haemophilus influenzae для демонстрации эффективности метода дробовика еще в 1995 году – когда зародился проект синтеза генома, по крайней мере, в теории.

Еще до переключения на геном человека мы с Хэмом задавали простые вопросы: если одному виду (Haemophilus influenzae) для жизни нужно 1800 генов, а другому (Mycoplasma genitalium) – всего 482, существует ли минимальная «операционная система» жизни? И можем ли мы установить ее границы? Другими словами, мы могли бы задать себе тот самый вечный вопрос: «Что есть жизнь?» с генетической точки зрения.

Вопросы были не только «простыми», они были еще и наивными. Мы убедились в этом, когда секвенировали наш третий геном, геном археи Methanococcus jannaschii – так называемого автотрофного организма, для своего существования использующего только неорганические химические вещества. Вместо углеводородного обмена, применяемого для получения энергии другими микроорганизмами, Methanococcus преобразует углекислый газ в метан. Мне становилось ясно, что существуют различные генные кассеты, которые в клетках микроорганизмов можно заменять в зависимости от среды обитания. Такие клетки, как Methanococcus, выживают там, где мало или вообще нет углеводов, поэтому у них и нет генов, обеспечивающих возможность их усвоения. Нельзя определить минимальную операционную систему для жизни именно потому, что это зависит от того, в каких условиях эта жизнь обитает. В лучшем случае мы могли бы определить, что такое «минимальный геном». По мере получения дополнительных данных эта концепция получила дальнейшее развитие.

Мы провели серию экспериментов, чтобы удалить некоторые гены из генома Mycoplasma genitalium и посмотреть, какие из них не нужны ему для жизни. Клайд и его постдок Скотт Петерсон разработали новый метод, мы назвали его транспозонный мутагенез генома. Он заключается во встраивании случайным образом чужих ДНК в середину генов, тем самым нарушая их функцию, чтобы увидеть, какой эффект это оказывает на организм. Чужие ДНК представляют собой транспозоны, небольшие сегменты ДНК, содержащие необходимые генетические элементы для случайного встраивания в любом участке генома. Существенная часть нашего генома состоит из таких паразитных ДНК, которых гораздо больше, чем кодирующих генов.

В наших экспериментах мембраны клеток микроорганизмов делались проницаемыми, чтобы транспозон мог проникнуть внутрь и обрести новый «дом» в произвольно выбранном месте генома. Когда транспозон встраивался в последовательность какого-либо гена, он этот конкретный ген подавлял. Для отслеживания наших действий мы добавили к транспозону ген устойчивости к антибиотикам. Таким образом, мы знали, что клетки, выживающие в присутствии антибиотика, обладали этим геном устойчивости и, как следствие, содержали доставивший его транспозон. Спроектировать метод прочтения генетического кода с конца транспозона в генетическом коде выживших колоний Mycoplasma genitalium не составило большого труда. У нас была полная последовательность генома Mycoplasma genitalium, и сам текст этой последовательность показывал, в каком именно месте произошла вставка транспозона. Если он находился в середине гена и клетки оставались живыми, мы могли считать его несущественным для жизнедеятельности клетки в условиях ее роста. Даже без обсуждения аспектов влияния окружающей среды эти результаты дали нам более глубокое понимание, почему трудно определять функции генов, необходимых для жизни.

Для примера возьмем два гена в Mycoplasma genitalium, из которых один кодирует белок, участвующий в доставке глюкозы в клетку, а второй – белок, переносящий фруктозу. Mycoplasma genitalium выживает на любом из этих углеводов. Если в среде обитания клетки имеется только глюкоза, транспозоны способны вставляться в геном переносчика фруктозы без каких-либо последствий для клетки. Из этих экспериментов можно сделать вывод: ген переносчика фруктозы не существен для жизнедеятельности клетки при этих условиях. Однако, если клетке доступна только фруктоза, переносчик фруктозы становится существенным. Контекст имеет решающее значение, если мы хотим понять функции генов.

Еще одна сложность состояла в том, что наши колонии Mycoplasma не были клонами, и вполне вероятно, что один вариант Mycoplasma с геном выживания поддерживал своих «братьев и сестер», из которых этот ген был «выбит» транспозоном. На протяжении многих лет команда во главе с Джоном Глассом проводили тщательные эксперименты на клонах, добиваясь, чтобы этого не происходило.

После сравнения поведения генов в организме путем компьютерного анализа 13 родственных секвенированных геномов мы получили набор из примерно 99 генов, без которых, как мы полагали, геном Mycoplasma genitalium мог обойтись. В результате оказалось, что одна пятая его генома является избыточной, и мы наконец-то получили некоторое представление о необходимом для жизни абсолютном генетическом минимуме.

С помощью новых методик, разработанных нами для исследований Phi-X174, я вместе с Хэмом и Клайдом приступил к конструированию всего организма Mycoplasma genitalium из обычных лабораторных химических соединений. Когда я пишу эти строки, наша работа уже выполнена руками команды из 20 человек. Буквально на каждом этапе нам приходилось разрабатывать все новые и новые методики для решения постоянно возникавших технических проблем.

Прекрасно понимая степень своей ответственности – любая ошибка в расшифровке могла быть фатальной – нам пришлось провести секвенирование 580 тысяч оснований Mycoplasma с беспрецедентным уровнем точности: 10 лет назад допускалась примерно одна ошибка на 100 тысяч оснований, но с новыми устройствами мы сократили это количество до менее одной ошибки на полмиллиона. В результате мы получили – вполне возможно, единственную в своем роде, – практически безошибочную бактериальную последовательность: до нас никто, даже наши самые строгие критики не получали последовательность со 100 % точностью.

После этого мы должны были восстановить сокращенную ранее версию. Использовалось стандартное лабораторное устройство для получения олигонуклеотидов – коротких структур ДНК, которые являются строительным материалом для нашего искусственного генома. С помощью «умной химии» Хэм и его команда тщательно сшивали мириады крошечных блоков примерно по 50 пар оснований, чтобы получить уже намного меньшее количество небольших участков, которые размножали в E. coli. Затем из этих небольших участков делали несколько более крупных – генные кассеты, чтобы в результате получить два больших «куска», из которых уже можно было собрать круговой геном новой формы жизни. Итого, нам нужно было создать синтетическую ДНК по размерам в 10–20 раз превышающую полученную ранее, и производить с ней различные манипуляции.

Итак, создав круговой геном, мы встраиваем синтетическую ДНК в бактериальную клетку. Затаив дыхание, мы наблюдаем за происходящим в пробирке: сколько микроорганизмов – один или больше – «загрузились» и произошел ли контакт между ними и цепочкой нашей искусственной ДНК? Начала ли дочерняя клетка участвовать в процессе обмена веществ и размножаться, следуя нашему «рецепту» зарождения жизни? Нам уже удалось пересадить геном одной бактерии в другую и продемонстрировать первый пример трансмутации видов – и попасть на первые полосы газет всего мира.{228} Готовясь к экспериментам по пересадке синтетического генома, мы подали заявку на патентование «Микоплазматической лаборатории», как мы ее назвали.