DIZAYN I SINTEZ MINIMAL'NOGO GENOMA. MIKOPLAZMA «SINTIYa»
- Authors: Kutsuradis AF1, Nasanovich TA1, Kalashnikova PM1, Kalashnikova AP1, Novosel'tseva TD1
-
Affiliations:
- Issue: Vol 7, No S1 (2018)
- Pages: 146-146
- Section: Articles
- URL: https://new.vestnik-surgery.com/index.php/2415-7805/article/view/4036
Cite item
Full Text
Abstract
Full Text
Актуальность. Генная инженерия является одной из важнейших направлений в современной биотехнологии, которая широко используется в фармацевтической промышленности, медицине, сельскохозяйственном производстве, селекции культурных растений и сельскохозяйственных животных, а также в других областях, направленных на решение энергетических и экологических проблем. Цель работы. Изучить основные этапы развития науки на пути синтеза минимального генома, показать теоретические и практические аспекты создания искусственной бактериальной клетки и перспективы применения этих знаний в биотехнологии. Материалы и методы: Анализ литературных данных. Полученные результаты: В 1984 году Моровитц предложил в качестве модели для понимания основных принципов жизни использовать микоплазмы. Это - класс бактерий, не имеющих клеточной стенки, но способных к автономному росту. Для наступления эры генной инженерии очень важным было открытие Гамильтона Смита, который почти полвека назад нашел молекулярные ножницы, позволяющие «раскраивать» наследственный материал. В 1978 году Смит был удостоен за него Нобелевской премии в области медицины. Начало работам по созданию искусственного генома было положено в 1977 году. Группе ученых во главе с Фредериком Сенгером удалось секвенировать полную нуклеотидную последовательность бактериофага aX 174 длиной 5375 нуклеотидных пар. В 1993 году началось секвенирование генома Mycoplasma Genitalium. Данная работа была завершена в 1995 году. На тот момент считалось, что Mycoplasma Genitalium имеет наименьший геном из всех клеток, способных к делению в естественных условиях. В 1995 году группа ученых во главе с Крейгом Вентером впервые секвенировала геном самовоспроизводящегося организма, бактерии Haemophilus Influenzae. В 1996 году путем сравнения геномов Haemophilus Influenzae и Mycoplasma Genitalium Аркадий Мушегян и Евгений 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. 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. Первоначально объектом исследования была выбрана Mycoplasma Genitalium. 28 января 2008 года ученые опубликовали статью в журнале «Science», где заявили, что им удалось синтезировать denovo генотип данной микоплазмы длиной 582 970 пар. Химически синтезированные полинуклеотиды объединялись в кассеты длиной в 5-7 тыс. пар. Далее кассеты при помощи ферментов последовательно объединялись во фрагменты по 24, 72, 144 тысячи пар. Окончательная сборка была осуществлена путем рекомбинации в клетке Saccharomycescerevisiae. 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 из имеющихся олигонуклеотидов, а создать его заново. Это стало новой вехой на пути синтеза искуственного генома. В 2010 году ученые отказались от экспериментов с Mycoplasma Genitalium, так как скорость деления данной бактерии достаточно низкая. Новым объектом для экспериментов была выбрана M. mycoides. В качестве реципиента ученые использовали M. capricolum. Но из-за проблем в системе рестрикции эксперимент по переносу генома M. mycoides в клетку M. capricolum был неудачным. У диких видов ДНК метилирована, и при непосредственном переносе нуклеоида из одной клетки в другую проблем не возникало. Ученые использовали неметилированную ДНК, синтезированную дрожжами. Она подвергалась уничтожению со стороны системы рестрикции M. сapricolum. В этом же году ученым удалось осуществить эксперимент. Они использовали метилазу во избежание активации системы рестрикции. Также удачно прошли эксперименты, в которых система рестрикции просто уничтожалась. 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. Полученная генная последовательность M. mycoides JCVI syn1.0 была занесена в базу GenBank под кодом CP002027. 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», 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. Жизнедеятельность «Синтия 3.0» контролируется синтетическим геномом пары, который кодирует 438 белков и 35 аннотированных РНК. В данный момент это рабочее приближение к минимальной ячейке. 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». Выводы: 1. Синтез минимального генома и создани искусственной бактериальной клетки - «Синтия - 3.0» является важным открытим в биологии 2. Создание искусственно цбактериальной клетки служит мощным толчком для развития биотехнологии в различных областях науки и производства.×
References
- Fraser CM, Gocayne JD, White O, et al. (October 1995). "The minimal gene complement of Mycoplasma genitalium". Science 270 (5235): 397-403.
- Patrick F. Suthers, Madhukar S. Dasika, Vinay Satish Kumar, Gennady Denisov, John I. Glass, et al. (February 2009). «A Genome-Scale Metabolic Reconstruction of Mycoplasma genitalium, i PS189». PLoS Computational Biology 5 (2): 1-14.
- Clyde A. Hutchison III, Ray-Yuan Chuang, Vladimir N. Noskov, Nacyra Assad-Garcia, Thomas J. Deerinck, Mark H. Ellisman, John Gill, Krishna Kannan, Bogumil J. Karas, Li Ma, James F. Pelletier, Zhi-Qing Qi, R. Alexander Richter, Elizabeth A. Strychalski, Lijie Sun, Yo Suzuki, BillyanaTsvetanova, Kim S. Wise, Hamilton O. Smith, John I. Glass, Chuck Merryman, Daniel G. Gibson, J. Craig Venter. Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science, 2016, 351, 1380-1414.