Синтетический геном подтвердил способность к самовоспроизведению

Одна из задач синтетической биологии — процессы «bottom-up», то есть создание из небольших строительных блоков (квази)живых систем, способных к самоподдержанию и самовоспроизведению. Например, для синтеза белка in vitro на основе ДНК (PURE — Protein synthesis Using Recombinant Elements, синтез белка с применением рекомбинантных элементов) используют системы, которые включают в себя фаговые РНК-полимеразы, механизмы трансляции, заимствованнные у Escherichia coli, и систему для минимальной регенерации энергии. Однако сложной задачей остается воспроизведение ДНК — «генома» системы, то есть создание ДНК-репликации, сопряженной с транскрипцией и трансляцией (TTcDR). Поскольку геном получается достаточно большим, его трудно реплицировать полностью.

Группа биомиметических систем Института биохимии Макса Планка под руководством Ханнеса Мучлера создала систему in vitro, в которой репликация ДНК и синтез белка могут происходить одновременно. «Наша система способна регенерировать значительную часть своих молекулярных компонентов», — сказал Мучлер.

Благодаря нескольким улучшениям, эта система теперь с высокой эффективностью синтезирует ДНК-полимеразу фага Φ29 — фермент, который копирует ДНК, строя новые нити из нуклеотидов. Кай Либихер, первый автор исследования, объясняет: «В отличие от предыдущих исследований, наша система способна считывать и копировать сравнительно длинные ДНК-геномы».

Конечно, геном кодирует не только ДНК-полимеразу, но и другие белки и РНК, нужные для самовоспроизведения, — РНК-полимеразу, три рибосомные РНК, белки, необходимые для регенерации энергии (нуклеотизтрифосфатов), около 30 факторов трансляции E. coli.

Искусственный геном состоит из одиннадцати кольцевых ДНК — такая модульная структура позволяет легко вставлять или удалять определенные части генома. Размер самого большого модульного генома, представленного в статье, — более 116 тысяч пар нуклеотидов. Это уже сопоставимо с размерами наименьших клеточных геномов и близко к теоретически оцененному «минимальному геному», например у Mycoplasma genitalium примерно 580 т.п.н., а у «синтетической» бактерии Mycoplasma laboratorium JCVI-syn3.0, созданной в институте Крейга Вентера, — 531 т.п.н. При этом значительную часть плазмид еще занимают конструкции, которые поддерживают совместимость с размножением in vivo, — плазмиду можно ввести в E.coli, и она будет копироваться в живой клетке. «В будущих конструкциях генома эти участки могут быть заменены примерно 110 генами, которые в настоящее время отсутствуют, — пишут авторы, — чтобы кодировать полный минимальный репликатор, который будет зависеть только от низкомолекулярных питательных веществ».

Как показала масс-спектрометрия, система экспрессии in vitro успешно воспроизводит собственные факторы трансляции, то есть сама себя снабжает необходимыми белковыми компонентами. Количество некоторых из них возросло по сравнению с тем, что было добавлено в систему изначально.

По мнению авторов работы, это важный шаг на пути к непрерывно самовоспроизводящейся системе, которая имитирует биологические процессы. Помимо добавления в систему полного набора генов, необходимого для самовоспроизведения, необходимо убедиться в том, что синтезированные белки функциональны (фолдинг протекает правильно), а также оптимизировать относительные скорости экспрессии продуктов, чтобы все компоненты поступали в нужном количестве. Они планируют также в сотрудничестве с коллегами из исследовательской сети MaxSynBio создать систему с оболочкой, которая сохраняет жизнеспособность, поглощая питательные вещества и выделяя отходы. Такая минимальная клетка может затем использоваться в биотехнологии как специализированная производственная машина для производства биомолекул. Или, возможно, как платформа для создания еще более сложных систем, подобных живым организмам.