Искусственный геном — направление в био исследованиях, связанное с генетической модификацией имеющихся организмов с целью сотворения организмов с новыми свойствами. В отличие от генной инженерии, искусственный геном состоит из генов, синтезированных хим кандаловём.
Предполагается, что в перспективе могут быть изготовлены искусственные геномы не на базе ДНК или с внедрением другого
Искусственный геном — направление в био исследованиях, связанное с генетической модификацией имеющихся организмов с целью сотворения организмов с новыми свойствами. В отличие от генной инженерии, искусственный геном состоит из генов, синтезированных хим кандаловём.
Предполагается, что в перспективе могут быть изготовлены искусственные геномы не на базе ДНК или с внедрением другого набора нуклеотидов и других принципов шифровки, чем в естественных геномах. Таким образом, создание искусственных геномов — одно из направлений синтетической биологии.
При всем этом следует обдумывать, что пока речь идет о синтезе генов с естественными генетическими кодами или их малеханькими модификациями. Можно синтезировать искусственный ген, кодирующий хоть какой наперед данный полипептид, но при всем этом пока нереально спроектировать принципиально новый полипептид так, чтобы он хотя бы свернулся в белковую глобулу, не говоря уже о том, чтобы получившийся белок начал работать как фермент.
В настоящее время высшим достижением в области сотворения искусственного генома является синтез хромосомы бактерии Mycoplasma genitalium, осуществлённый Крейгом Вентером в 2010 году.
Сотрудники Института Крейга Венгера в этом(2010) году синтезировали циклическую хромосому бактерии Mycoplasma mycoides размером 1 077 947 нуклеотидных пар. Хромосому имплантировали в клетку бактерии Mycoplasma capricolum, в конечном итоге чего после деления образовалась клетка, , полностью управляемая искусственным геномом. Этот искусственный геном на данный момент известен под кодовым обозначением JCVI-syn1.0.
Он практически полностью повторяет геном 1-го из штаммов бактерии Mycoplasma mycoides, не считая нескольких искусственно внедрённых генетических маркеров, нескольких удалённых в процессе синтеза незначимых генов и 19 мутаций, показавшихся в процессе сборки фрагментов ДНК. Клетки с искусственным геномом нормально работают и способны к многократным делениям.
Предыстория
Начало работам по искусственному геному положили работы Фредерика Сэнгера и его служащих, которым в 1977 году удалось установить полную нуклеотидную последовательность генома бактериофага φX174 длиной 5375 нуклеотидных пар[3]. 18 лет спустя, в 1995 году, группа Крейга Вентера впервой секвенировала геном самовоспроизводящегося организма — бактерии Haemophilus influenzae длиной 1 830 137 пар.
За последние 25 лет (1985—2010 годы) скорость секвенирования генома возросла как минимум на 8 порядков. Лавинообразное увеличение количества организмов, геном которых был прочитан, породило делему понимания био роли каждого гена в организме. До последнего времени было неясно, содержит ли геном полную информацию о строении организма, и будет ли жизнеспособен организм с химически синтезированным геномом. Другой вопрос, стоявший перед молекулярной биологией, заключался в том, являются ли геномы бактерий не достаточно необходимыми и каков малый набор генов, способный сделать живую клетку.
Малый геном
В 1996 году Аркадий Мушегян и Евгений Кунин (Муниципальный центр биотехнологической инфы, США) представили, что 256 ортологичных генов, общих для грамотрицательной бактерии Haemophilus influenzae и грамположительной Mycoplasma genitalium, являются хорошим приближением к меньшему набору генов бактериальной клетки. В 2004 году группа исследователей из института Валенсии (Испания) предложила набор из 206 кодирующих белки генов, обретенный в конечном итоге анализа нескольких бактериальных геномов.
Учёные из группы Крейга Вентера занимались созданием организма с минимальным искусственно синтезированным геномом, начиная с 1995 года. В 1995 году они секвенировали геном возбудителя заболеваний мочеполовой системы человека Mycoplasma genitalium, считавшийся в то время минимальным среди организмов, способных к самовоспроизведению. Этот микроорганизм содержит 517 генов, из которых 482 кодируют белки. Полный объём генома составляет 580 тыс. нуклеотидных пар. К 1999 году, анализируя размещение транспозонов в секвенированных геномах, удалось установить, что животрепещуще необходимыми для организма являются от 265 до 350 генов и более 100 генов имеют неизвестное назначение. Следующие исследования к 2005 году расширили список животрепещуще подходящих генов до 382.
В дальнейшем были обнаружены бактериальные геномы ещё меньшего размера.
В 2003 году был секвенирован геном Nanoarchaeum equitans размером 490 885 пар. Установлено также, что несеквенированный геном вида Buchnera имеет длину около 450 тыс. пар.
Наименьший из расшифрованных к настоящему моменту бактериальных геномов — геном внутриклеточного эндосимбионта листоблошек бактерии Carsonella, состоящий из 159 662 нуклеотидных пар и содержащий всего 182 гена, кодирующих белки. Этот геном был секвенирован японскими исследователями в 2006 году.
Синтез генома Mycoplasma genitalium (2008 год)
Группой Крейга Вентера была разработана разработка синтеза больших молекул ДНК на базе химически синтезированных фрагментов размером 5—7 тыс. пар, называемых кассетами (англ. cassette). Объединение фрагментов происходило частично in vitro при помощи соответствующих ферментов, частично кандаловём рекомбинации in vivo в дрожжевой клетке Saccharomyces cerevisiae. Полный синтетический геном успешно клонировался как центромерная плазмида (YCp) в клетках дрожжей.
Предпринятая в 2008 году 1-ая попытка сотворения искусственного генома заключалась в синтезе хромосомы Mycoplasma genitalium длиной 582 970 пар. Перекрывающиеся кассеты размером 5—7 тыс. пар, собранные из химически синтезированных полинуклеотидов, попеременно объединялись при помощи ферментов во кусочки размером 24, 72 и 144 тыс. пар (1/24, 1/8 и 1/4 генома соответственно). Полная сборка генома из четырёх составляющих осуществлена рекомбинацией в клетке Saccharomyces cerevisiae. Секвенирование полученной хромосомы подтвердило точность синтеза. В качестве макета использовалась бактерия M. genitalium подвида G37 (идеал MG408), патогенная активность которой была блокирована особенным маркером. Для идентификации искусственного генома в ДНК были внедрены нуклеотидные последовательности, называемые «водяными знаками» (англ. watermark).
Определённые трудности появились при переносе синтетической хромосомы из клетки-донора (дрожжи) в клетку-реципиент. Отдельной неувязкой было удаление из бактериальной клетки исходного генома для замены его синтетическим.
В следующих опытах от бактерий M. genitalium в качестве генетического макета пришлось отрешиться из-за соответственной для их очень низкой скорости роста. В исследованиях, проведённых в 2010 году, в качестве макета употреблялся геном Mycoplasma mycoides подвида capri (GM12), а в качестве реципиента – Mycoplasma capricolum подвида capricolum (CK).
В целях отработки технологии переноса хромосом из клетки дрожжей в клетку-реципиент были разработаны методы клонирования целых хромосом в виде дрожжевых центромерных плазмид. В качестве объекта тестов использовалась естественная хромосома M. mycoides. Но 1-ые пробы переноса хромосомы M. mycoides в клетку M. сapricolum окончились неудачей. Как выяснилось, неувязка состояла в системе рестрикции бактериальных клеток. Системы рестрикции M. mycoides и M. сapricolum идентичны, в их ДНК метилирована, и при определенном переносе хромосомы из одной клетки в другую заморочек не возникает. ДНК, клонированная в дрожжах, не метилирована и при переносе в M. сapricolum подвергается уничтожению со стороны системы рестрикции. Во избежание этого донорская ДНК метилировалась незапятанной метилазой или экстрактом из M. mycoides или M. сapricolum, либо система рестрикции клетки-реципиента просто разрушалась.
Синтез генома Mycoplasma mycoides (2010 год)
2-ая попытка синтезировать бактериальный геном была предпринята в 2010 году. В качестве макета была выбрана хромосома бактерии Mycoplasma mycoides (подвид capri GM12) объёмом 1,08 млн. нуклеотидных пар. Этот искусственный геном получил кодовое обозначение JCVI-syn1.0. Для работы были использованы два генома: CP001621 (база данных GenBank), секвенированный группой Дж. Гласса из Института Крейга Вентера в 2007 году, и трансгенный геном CP001668[16], секвенированный группой Кэрол Лартик в 2009 году. На базе образца CP001621 были синтезированы кассеты, использованные для грядущего синтеза. По окончании секвенирования образца CP001668 была произведена сверка, обнаружившая различия в 95 кусочках. Различия, признанные биологически необходимыми, были скорректированы в уже синтезированных кассетах. 19 различий, не влияющих на жизнедеятельность бактерии, оставлены без конфигураций. В четырёх областях генома, которые не являются животрепещуще необходимыми, сформированы 4 метки WM1—WM4 длиной 1246, 1081, 1109 и 1222 пар соответственно. Обретенная генная последовательность M. mycoides JCVI syn1.0 была занесена в базу GenBank под кодом CP002027.
Источник: Википедия. Искусственный геном
Похожие статьи:
