PROSPECTS OF USE AND POSSIBLE CONSEQUENCES OF THE CYNTHIA - BACTERIAL CELL USE ON THE BASIS OF THE COMPUTER-GENERATED GENOM

Abstract


Scientists managed to design Cynthia - the first artificial microorganism with a minimum amount of genetic material, sufficient for independent life. Scientists intend to use such living systems to develop fundamentally new technologies for obtaining energy, freeing the ocean from pollution, as their development will allow creating bacteria "designed" specifically to solve specific problems. On the one hand, the synthesis of the minimal genome and the creation of an artificial bacterial cell - "Cynthia - 3.0" is an important open and serves as a powerful impetus for the development of biotechnology in various fields of science and production. However, from another point of view, this scientific achievement replaces the long natural course of evolution, invades the natural ecosystem, poses a threat to humanity.

История рождения Синтии, или Проект Минимального Генома. Группа ученых, во главе с лауреатом Нобелевской премии С. Хэмильтоном, микробиологами К. А. Хадчисоном и Дж. К. Вентером, взялась за работу над проектом в Институте Дж. Крэйга Вентера в Калифорнии. На реализацию проекта был получен положительный ответ с четко поставленными условиями: создание нового организма будет служить лишь на пользу человечества, и будут приняты все меры предосторожности [2,3]. Этим исследованиям предшествовали важные открытия. В 1978 году Г. Смит был удостоен Нобелевской премии в области медицины за «молекулярные ножницы», позволяющие «раскраивать» наследственный материал. В 1984 году Моровитц предложил в качестве модели для понимания основных принципов жизни использовать микоплазмы - класс бактерий, не имеющих клеточной стенки, но способных к автономному росту. Так прародителем синтетической бактерии стала Mycoplasma genitalium - внутриклеточный паразит, являющийся представителем микрофлоры мочеполового тракта человека. Бактерия содержит в нуклеоиде наименьший геном среди всех известных бактерий, способных расти в чистой культуре [6]. В 1996 году путем сравнения геномов Haemophilus influenzae и Mycoplasma genitalium А. Мушегян и Е. Кунин посчитали, что 256 генов, общих для данных бактерий, являются отличным приближением к «минимальному геному». Большинство бактерий имеет генотип в 10 раз превышающий генотип Mycoplasma genitalium. Часть генов необходимо для обеспечения функций лишь в определенных условиях среды, что позволяет им адаптироваться к изменениям среды. Но неизвестно, какое количество генов необходимо для существования в идеальных условиях. С этого момента ученые из Института Крейга Вентера занялись «поисками минимального генома». В 1999 году группой ученых под руководством Крейга Вентера был предложен метод глобального транспозонного мутагенеза. Ученые последовательно удаляли гены, чтобы найти минимальный набор генов, необходимый для жизни. В качестве объекта исследования была выбрана Mycoplasma genitalium, имеющая последовательность из 525 генов. При помощи данного метода ученым удалось выделить 350 эссенциальных гена. Именно это число и было названо «минимальный геном». Позже ученые во главе с Хитчисоном из Института Крейга Вентера занялись вопросом искусственного синтеза генома[7]. 28 января 2008 года ученые опубликовали статью в журнале «Science», где заявили, что им удалось синтезировать de novo генотип данной микоплазмы длиной 582 970 пар оснований. Химически синтезированные полинуклеотиды объединялись в кассеты длиной в 5-7 тыс. пар. Окончательная сборка была осуществлена путем рекомбинации в клетке Saccharomyces cerevisiae. Полученная клетка имела абсолютная идентичный генотип, но ее патогенная активность была заблокирована маркером. В ДНК синтезированной бактерии были встроены «водяные знаки» для идентификации искусственного генома. Впервые в истории ученым удалось не просто собрать генотип клетки из имеющихся олигонуклеотидов, а создать его заново. Это стало новой вехой на пути синтеза искусственного генома [8]. Но вскоре ученые отказались от экспериментов с Mycoplasma genitalium, так как скорость деления данной бактерии достаточно низкая. Новым объектом для экспериментов была выбрана Mycoplasma mycoides. В качестве реципиента ученые использовали Mycoplasma capricolum. Однако из-за проблем в системе рестрикции эксперимент по переносу генома Mycoplasma mycoides в клетку Mycoplasma capricolum был неудачным. Вторая попытка синтеза генома была осуществлена в 2010 году. В качестве донора была взята Mycoplasma mycoides (подвид capriGM12). Этот искусственный геном получил кодовое обозначение JCVI-syn1.0. Так была создана Синтия 1.0. В 2010 г. было официально запатентовано создание Mycoplasma laboratorium, состоящей из синтезированных 1 млн. пар ДНК Mycoplasma mycoides, пересаженных в Mycoplasma capricolum. Полученный микроорганизм был назван Mycoplasma laboratorium. Далее исследователи использовали улучшенные методы транспозонного мутагенеза, что позволило выявить кластер квазиважных генов, которые необходимы для устойчивого роста. В 2016 году в журнале «Science» группой ученых из института Крейга Вегнера была опубликована статья, в которой сообщалось о создании «Синтии 3.0» [7]. Еще три цикла дизайна, синтеза и тестирования с сохранением кластера этих генов привели к созданию нового синтетического генома под названием JCVI-syn3.0, содержащего 473 гена, что меньше, чем у любой природной клетки. Им удалось создать клетку со временем деления приблизительно 180 минут, в результате чего образуются полиморфные колонии. Интересным фактом является то, что исследователи были уверены: ими выбраны лишь необходимые гены, но исследования показали, что 149 генов имеют биологические функции, которые не были учтены в эксперименте. «Мы не утверждаем, что это предельно минимальный геном, - говорит К. Вентер. - Однако на данный момент Syn 3.0 является новым действующим чемпионом в легком весе» [7]. Ученый не сомневается, что его создание ждет большое будущее. Достижения в синтетической биологии и генной инженерии позволят целенаправленно конструировать целые геномы, что открывает широкие перспективы в производстве синтетических материалов, лекарственных средств, топлива и биологического очистителя океанов. В 2011 г. было решено распылить бактерии в Мировой океан над мексиканским заливом для уничтожения нефтяных пятен, представляющих угрозу для экологии всей земли. Бактерии питались исключительно нефтью, что стало объектом гордости ее создателей. Но вскоре появились сообщения о страшном заболевании, названным журналистами «Синей чумой», ставшем причиной вымирания огромного количества птиц, рыб, животных, обитавших в Мексиканском заливе. По недоказанным данным, бактерия Синтия перестала питаться нефтью Мексиканского залива, переключившись на животную пищу. Попадая в микроскопические раны на теле животных, она за короткое время повреждала все органы и системы. Ученые, создавшие бактерию Mycoplasma laboratorium, в один голос утверждают, что выведенная бактерия способна питаться только нефтью, которая является продуктом растительного происхождения. Животный белок Синтия просто не способна переварить, что может указывать на ее «невиновность», и снимает ответственность с ее создателей, а также делает невиновным правительство, разрешившее запуск бактерий в Мировой океан, который постепенно течением распространяет их по всей планете. Казалось бы, все логично, если только не учитывать возможность приобретения Синтией в процессе мутации новой способности - питаться животными организмами. Является Синтия лишь безобидной пожирательницей нефти, а не новым доминирующим биологическим видом, способным уничтожить все живое на планете, покажет время. Степень риска при использовании продукции следует оценивать с учетом долговременных интересов жизнеобеспечения всего общества. Многие опасности в научно-техническом прогрессе обусловлены неопределенностью тех или иных знаний, а иногда и ошибочностью отдельных положений. Утверждение, например, что безопасность генной инженерии обусловлена использованием только «природных генов», в данном случае неправомерно. В настоящее время дискуссия при оценке использования продукции генной инженерии ориентирована на конечный продукт, тогда как возможные эволюционные последствия остаются без внимания [1,4,5]. Антропогенный фактор, т. е. воздействие человека на природу В.И. Вернадский считал равным по масштабам действию геологических сил. Но нет гарантий, что дальнейшее развитие человечества будет происходить при решающем влиянии коллективного разума, т.е. по сценарию перехода биосферы в ноосферу [ 3]. Возможности генетической инженерии вызывают не только восхищение, но и чувство беспокойства. И, если исходить из того, что экологическое равновесие биосферы является промежуточным, то есть ограниченным тем или иным сроком, то безграничное вмешательство человека в естественную эволюцию «живого» может изменить как экологическую ситуацию, так и направление эволюции. Генетическая инженерия создает возможность создания такого живого мира, закономерности развития которого никому неизвестны.

A P Kalashnikova

Voronezh State Medical University

T D Novoseltseva

Voronezh State Medical University

S N Gavrilov

Voronezh State Medical University

  1. Основы молекулярной биологии клетки / Б. Альбертс [и др.] ; пер. с англ. - Москва : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. - 768 с.
  2. Соберут бактерию [Электронный ресурс]. - URL: http://www. computerra.ru/xterra/biomed.
  3. Уровни организации живой материи / С.Б. Рощина, А.П. Калашникова, Н.В. Пархоменко, С.С. Селявин, А.А. Соломатина ; под ред. З.А. Воронцовой. - Воронеж : ВГМУ, 2017. - 386 с.
  4. Фаллер Д.М. Молекулярная биология клетки / Д.М. Фаллер, Д. Шилдс. - Москва : Бином-Пресс, 2004. - 268 c.
  5. Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию / Ю.С. Ченцов. - 4-е изд., перераб. и доп. - Москва : Академкнига, 2004. - 495 с.
  6. Fraser C.M. The minimal gene complement of Mycoplasma genitalium / J.D. Gocayne, O. White // Science. - 1995. Vol.270. - P. 5235 (397-403)
  7. Hutchison C.A. Design and synthesis of a minimal bacterial genome / C.A. Hutchison, R.Y. Chuang, J.C. Venter // Science. - 2016. - Vol. 351. - P.6253-6280.
  8. Patrick F. S. A Genome-Scale Metabolic Reconstruction of Mycoplasma genitalium, i PS189 / S. D. Madhukar, S. K. Vinay, G. Denisov, J. I. Glass // PLoS Computational Biology. -2009. -Vol. 5. - Р. 1-14.

Views

Abstract - 4

PDF (Russian) - 0

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies