Обыгрывая бога: как делают искусственную ДНК

Джордж Чёрч, профессор Гарвардского университета и Массачусетского технологического института. Разработал несколько революционных методов секвенирования ДНК, внес большой вклад в создание ГМ-технологий с использованием CRISPR/Cas9. В 2015 году успешно пересадил гены шерстистых мамонтов в ДНК современных слонов. Крейг Вентер, президент собственного института генетики. Руководил независимым проектом по чтению ДНК человека. В 2010 году продемонстрировал живую клетку с искусственным геномом: ее ДНК не собиралась из фрагментов, выделенных из других клеток, а синтезировалась в лаборатории.

Клетки — это основа жизни. Они содержат наследственную информацию в виде молекул ДНК, совокупность которых называют геномом. Геном определяет, какие молекулы клетка будет производить, как она будет делиться, какие химические реакции осуществлять. Некоторые из этих функций универсальны: способности удваивать свою ДНК и синтезировать белки, делиться, поглощать вещества из окружающей среды и формировать мембрану нужны почти любой клетке.

Другие задачи специализированы и часто связаны с приспособлением к конкретным условиям жизни. Например, бактерии могут иметь гены, обеспечивающие защиту от антибиотиков, а могут и не иметь, если она им не нужна. Клетки многоклеточных организмов содержат в геноме инструкции, позволяющие им кооперироваться и взаимодействовать, организовываться в пространстве и специализироваться, формируя сложные ткани и органы. Участки ДНК, регулирующие эти процессы, часто не нужны отдельным клеткам, но необходимы для функционирования целого организма.

Задача, которую решают наши игроки, состоит в том, чтобы установить минимальный набор генов, необходимый клетке. Такой организм должен содержать полный комплект инструкций, позволяющих ему поддерживать свое существование и делиться — но ничего сверх этого. Только самое нужное.

Решение этой задачи важно по трем причинам. Во-первых, мы сможем лучше понять, как работают клетки. Во-вторых, получим удобную модель для изучения генов и их функций. В-третьих, «минимальный» организм можно будет адаптировать для синтеза какого-нибудь лекарства, биотоплива или другого нужного соединения. Лишенный лишних генов организм не будет тратить время и ресурсы на их работу и копирование, став более эффективным производителем.

Размеры генома могут быть очень разными, и со сложностью самого организма прямо они не связаны. ДНК круглых червей Caenorhabditis elegans включает 97 млн нуклеотидов и примерно 20 000 генов. Геном человека куда более громоздкий — 3 млрд нуклеотидов, но кодирующих белки генов у нас немногим больше, чем у нематоды, всего 20−25 тысяч. Но бывают организмы с еще более «раздутыми» геномами. Например, у двоякодышащей рыбы Protopterus aethiopicus он в 40 раз больше, чем у человека. Такой разброс в размерах во многом объясняется тем, что кроме важных генов ДНК накапливает массу лишнего и ненужного. Еще в 2004 году были получены мыши, из генома которых вырезаны весьма обширные «пустые» фрагменты ДНК — в 1,5 и в 0,8 млн нуклеотидов. Такие животные ничем не отличались от своих обычных родственников, нормально развивались и оставляли здоровое потомство.

Самыми «экономичными» геномами могут похвастаться вирусы, бактерии и археи. Среди последних рекордсменом остаются живущие в горячих источниках Nanoarchaeum equitans, ДНК которых сложена всего из 490 000 нуклеотидов и содержит ровно 5408 генов. Один из самых компактных геномов бактерий принадлежит паразитическим Mycoplasma genitalium: 580 000 нуклеотидов и смешные 475 генов, кодирующих белки. Жаль, что эти микробы размножаются чересчур медленно и не слишком удобны для исследований. Впрочем, у них есть близкие и быстрорастущие родственники Mycoplasma mycoides с примерно вдвое большим геномом и количеством генов. ДНК именно этой бактерии выбрал Крейг Вентер для дальнейшей «оптимизации».

В 2010 году командой Вентера была получена синтетическая копия генома M. mycoides. Ученые перенесли ее в клетку, из которой заранее была удалена собственная ДНК; полученная микоплазма нормально делилась и функционировала. Именно эту работу сотрудники американского журнала Newsweek окрестили «Игрой в бога». Но если это была игра, то в 2016 году Вентер «переиграл» Создателя, сократив исходный геном микоплазмы уже примерно вдвое — и снова получив совершенно жизнеспособные клетки.

В теории подход к упрощению генома несложен: достаточно получать мутантные клетки и анализировать их ДНК. Если клетка остается жива, несмотря на то что какой-то ген в ней испорчен, мы можем считать, что этот ген не так уж ей нужен, и удалить его из финального набора. Таким способом Вентер и его группа изучили десятки тысяч мутантов, обнаружив, что ненужного в геноме микоплазмы почти нет. Отбросив все лишнее, ученые получили функционирующую бактерию с геномом в 531 000 нуклеотидов: 438 белковых генов, плюс еще 35, кодирующих функциональные молекулы РНК. Всего на 428 генов меньше, чем в исходном геноме Mycoplasma mycoides, с которого началась работа.

Нельзя сказать, что удаление «лишних генов» сказалось на полученных клетках как-то особенно плохо. Один из критериев приспособленности одноклеточного организма к окружающей среде — скорость его деления. Для удвоения численности клеткам «упрощенной» бактерии требуется около 180 минут. Это втрое дольше, чем для исходного варианта микоплазмы, зато в пять раз быстрее, чем требуется ее медленному собрату M. genitalium. Впрочем, сами авторы упрощенного генома не считают, что работа завершена. Сравнивая геномы разных одноклеточных организмов, ученые выделили порядка 250 вездесущих «универсальных генов» — к этому идеалу и стремятся Вентер и его коллеги. Ну а тем временем Джордж Чёрч исследует простоту с другой стороны, пытаясь минимизировать сам код ДНК.

Генетический код — это набор правил, по которым гены кодируют белки. С участков ДНК (генов) считываются их копии в виде молекул РНК, которые служат инструкциями для синтеза белков, состоящих из аминокислот. Каждая аминокислота кодируется тройкой нуклеотидов исходной цепочки ДНК. Например, в последовательности ГААГГЦЦГА первые три буквы (ГАА) соответствуют глютаминовой кислоте, далее следуют глицин (ГГЦ) и аргинин (ЦГА). При этом и ДНК, и РНК состоят всего из четырех видов нуклеотидов, которые могут складывать 64 разные тройки, но аминокислот в белках (за редчайшими исключениями) всего 20. Поэтому почти каждой аминокислоте «приписано» по несколько таких троек-кодонов — например, глютаминовая кислота кодируется последовательностями ГАА и ГАГ. Но из этого следует, что если во всех генах организма заменить тройки ГАА на ГАГ (или наоборот), то белки этого организма не изменятся, зато мы упростим сам геном, избавившись от избыточных нуклеотидных кодонов. Такой работой и занят Джордж Чёрч со своей командой. В 2016 году они опубликовали статью о получении первого в мире организма, модифицированной кишечной палочки с генетическим кодом, состоящим всего из 57 кодонов вместо стандартных 64. То есть — с семью убранными тройками нуклеотидов.

«Упрощение» генетического кода может иметь важный эффект — невероятную устойчивость таких организмов к вирусам. В самом деле, эти внутриклеточные паразиты сами размножаться неспособны. Они полностью полагаются на возможности «порабощенной» клетки, рассчитывая на то, что их собственные гены будут работать в ней так же, как всегда, как работает и геном самой бактерии. Но если у нее просто нет аппарата, который может интерпретировать незнакомые бактерии кодоны в вирусном геноме, то паразит просто не сможет функционировать.

Сегодня Джордж Чёрч и его коллеги всерьез обсуждают возможность запуска проекта по синтезу человеческого генома — всех 3 млрд нуклеотидов, организованных в хромосомы. И пусть пока что эта задача смотрится заведомо проигрышной: когда-то и проект чтения генома человека выглядел совершенно неподъемным. Однако он стимулировал такой скачок технологий секвенирования, что стоимость чтения генома упала в тысячи раз и сегодня оказалась по карману самым обычным людям. Возможно, глобальный проект в области синтеза генома позволит совершить прорыв в методах создания новых молекул ДНК. Сделать процесс дешевле, быстрее, эффективнее. Параллельно могут появиться новые способы доставки ДНК в клетки, так необходимые в медицине: уже сегодня врачи приступают к использованию генной терапии для лечения некоторых наследственных и онкологических заболеваний. На подходе и применение этих методов для борьбы с вирусами, в том числе с ВИЧ — и от решения проблемы доставки генов в целевые клетки зависит успех новых многообещающих подходов.

Остается надеяться, что Чёрчу, Вентеру и всем остальным хватит смелости довести игру до конца. Быть может, к этому моменту уже подоспеют и надежные технологии клонирования человека. Тогда нам будет по силам получение не просто отдельной клетки с искусственно созданным геномом, а полноценного человека с синтетическими, оптимизированными хромосомами. Из отдельных химических веществ, «из глины», — почти из ничего.