В этой статье отсутствует информация о проблемах морфологии деления в JCVI-syn3.0 и исправлении в JCVI-syn3A. ( март 2021 г. ) |
Mycoplasma лаборатория | |
---|---|
Научная классификация | |
Домен: | Бактерии |
Тип: | Микоплазматота |
Сорт: | Молликуты |
Заказ: | Микоплазменные |
Семья: | Mycoplasmataceae |
Род: | Микоплазма |
Разновидность: | |
Подвиды: | М. м. JCVI-syn1.0 |
Имя тринома | |
Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 Гибсон и др. , 2010 [a 1] | |
Синонимы [a 2] | |
Микоплазменная лаборатория Райха, 2000 г. |
Mycoplasma laboratorium или Synthia [b 1] относится к синтетическому штамму бактерии . Проект по созданию новой бактерии развивался с момента его создания. Первоначально целью было идентифицировать минимальный набор генов , необходимых для поддержания жизни из генома Mycoplasma genitalium , и синтетически перестроить эти гены для создания «нового» организма. Mycoplasma genitalium изначально была выбрана в качестве основы для этого проекта, потому что на тот момент у нее было наименьшее количество генов из всех проанализированных организмов. Позже фокус переключился на Mycoplasma mycoides и был принят более пробный подход. [b 2]
Чтобы определить минимально необходимые для жизни гены, каждый из 482 генов M. genitalium был индивидуально удален, и жизнеспособность полученных мутантов была проверена. Это привело к идентификации минимального набора из 382 генов, которые теоретически должны представлять минимальный геном. [a 3] В 2008 году полный набор генов M. genitalium был сконструирован в лаборатории с добавлением водяных знаков для идентификации генов как синтетических. [b 3] [a 4] Однако M. genitalium растет чрезвычайно медленно, и M. mycoides был выбран в качестве нового фокуса для ускорения экспериментов, направленных на определение набора генов, действительно необходимых для роста. [b 4]
В 2010 году полный геном M. mycoides был успешно синтезирован из компьютерной записи и пересажен в существующую клетку Mycoplasma capricolum , из которой была удалена ДНК. [b 5] По оценкам, синтетический геном, использованный для этого проекта, стоил 40 миллионов долларов США и 200 человеко-лет на его создание. [b 4] Новая бактерия смогла вырасти и была названа JCVI-syn1.0, или Synthia. После дополнительных экспериментов по выявлению меньшего набора генов, которые могли бы создать функциональный организм, был получен JCVI-syn3.0, содержащий 473 гена. [b 2] 149 из этих генов имеют неизвестную функцию. [b 2] Поскольку геном JCVI-syn3.0 является новым, он считается первым по-настоящему синтетическим организмом.
Производство Synthia является попыткой в области синтетической биологии в Институте Дж. Крейга Вентера группой из примерно 20 ученых во главе с лауреатом Нобелевской премии Гамильтоном Смитом , включая исследователя ДНК Крейга Вентера и микробиолога Клайда А. Хатчисона III . Общая цель состоит в том, чтобы свести живой организм к его основам и, таким образом, понять, что требуется для создания нового организма с нуля. [a 3] Первоначально внимание было сосредоточено на бактерии M. genitalium , облигатном внутриклеточном паразите , геном которого состоит из 482 генов, включающих 582 970 пар оснований , расположенных на одной кольцевой хромосоме (на момент начала проекта это был самый маленький геном любого известного природного организма, который можно выращивать в свободной культуре). Они использовали транспозонный мутагенез для идентификации генов, которые не были необходимы для роста организма, в результате чего был получен минимальный набор из 382 генов. [a 3] Эта работа была известна как проект «Минимальный геном» . [a 5]
Mycoplasma — род бактерий класса Mollicutes в отделе Mycoplasmatota (ранее Tenericutes), характеризующийся отсутствием клеточной стенки (что делает его грамотрицательным ) из-за его паразитического или комменсального образа жизни. В молекулярной биологии этот род привлек большое внимание как из-за того, что он является печально известным трудноустранимым загрязнителем в культурах клеток млекопитающих (он невосприимчив к бета-лактамам и другим антибиотикам ), [a 6] , так и из-за его потенциального использования в качестве модельного организма из-за его небольшого размера генома. [a 7] Выбор рода для проекта Synthia датируется 2000 годом, когда Карл Райх придумал фразу Mycoplasma laboratorium . [a 2]
По состоянию на 2005 год Pelagibacter ubique ( α-протеобактерия порядка Rickettsiales ) имеет наименьший известный геном (1 308 759 пар оснований) среди всех свободноживущих организмов и является одной из наименьших известных самовоспроизводящихся клеток. Это, возможно, самая многочисленная бактерия в мире (возможно, 10 28 отдельных клеток) и, наряду с другими членами клады SAR11 , по оценкам, составляет от четверти до половины всех бактериальных или архейных клеток в океане. [a 8] Она была идентифицирована в 2002 году с помощью последовательностей рРНК и полностью секвенирована в 2005 году. [a 9] Крайне сложно культивировать вид, который не достигает высокой плотности роста в лабораторной культуре. [a 10] [a 11] Несколько недавно открытых видов имеют меньше генов, чем M. genitalium , но не являются свободноживущими: многие важные гены, которые отсутствуют у Hodgkinia cicadicola , Sulcia muelleri , Baumannia cicadellicola (симбионты цикад ) и Carsonella ruddi (симбионт черешковой галловой листоблошки Pachypsylla venusta [a 12] ), могут быть закодированы в ядре хозяина. [a 13] Организмом с наименьшим известным набором генов по состоянию на 2013 год является Nasuia deltocephalinicola , облигатный симбионт . У него всего 137 генов и размер генома 112 кб. [a 14] [b 6]
название вида | количество генов | размер (Мбит/с) |
---|---|---|
Candidatus Hodgkinia cicadicola Dsem [1] | 169 | 0,14 |
Candidatus Carsonella ruddii PV [2] | 182 | 0,16 |
Candidatus Sulcia muelleri GWSS [3] | 227 | 0,25 |
Candidatus Sulcia muelleri SMDSEM [4] | 242 | 0,28 |
Бухнера афидикола ул. Чинара Чедри [5] | 357 | 0,4261 |
Микоплазма гениталиум G37 [6] | 475 | 0,58 |
Candidatus Phytoplasma mali [7] | 479 | 0,6 |
Бухнера афидикола ул. Байзонгия фисташковая [8] | 504 | 0,6224 |
Nanoarchaeum equitans Кин4-М [9] | 540 | 0,49 |
Для проекта пришлось разработать или адаптировать несколько лабораторных методик, поскольку он требовал синтеза и манипулирования очень большими фрагментами ДНК.
В 2007 году группа Вентера сообщила, что им удалось перенести хромосому вида Mycoplasma mycoides в Mycoplasma capricolum с помощью:
Термин «трансформация» используется для обозначения внедрения вектора в бактериальную клетку (электропорацией или тепловым шоком). Здесь трансплантация используется подобно ядерной трансплантации .
В 2008 году группа Вентера описала создание синтетического генома, копии последовательности M. genitalium G37 L43967, с помощью иерархической стратегии: [a 16]
Геном этого результата 2008 года, M. genitalium JCVI-1.0, опубликован в GenBank как CP001621.1. Его не следует путать с более поздними синтетическими организмами, обозначенными как JCVI-syn, на основе M. mycoides . [a 16]
В 2010 году Вентер и коллеги создали штамм Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 с синтетическим геномом. [a 1] Изначально синтетическая конструкция не работала, поэтому для точного определения ошибки, которая привела к задержке всего проекта на 3 месяца [b 4], была создана серия полусинтетических конструкций. Причиной неудачи стала единственная мутация сдвига рамки в DnaA , факторе инициации репликации . [a 1]
Целью создания клетки с синтетическим геномом было тестирование методологии как шага к созданию модифицированных геномов в будущем. Использование естественного генома в качестве шаблона минимизировало потенциальные источники неудач. В Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 присутствует несколько отличий относительно референтного генома, в частности, транспозон E.coli IS1 (инфекция со стадии 10kb) и дупликация 85bp, а также элементы, необходимые для размножения в дрожжах, и остатки из сайтов рестрикции. [a 1]
Возникли разногласия по поводу того, является ли JCVI-syn1.0 настоящим синтетическим организмом. Хотя геном был синтезирован химически во многих частях, он был сконструирован так, чтобы максимально соответствовать родительскому геному, и трансплантирован в цитоплазму естественной клетки. Одна только ДНК не может создать жизнеспособную клетку: для считывания ДНК необходимы белки и РНК, а для разделения ДНК и цитоплазмы требуются липидные мембраны . В JCVI-syn1.0 два вида, используемые в качестве донора и реципиента, принадлежат к одному роду, что снижает потенциальные проблемы несоответствия между белками в цитоплазме хозяина и новым геномом. [a 17] Пол Кейм (молекулярный генетик из Университета Северной Аризоны во Флагстаффе ) отметил, что «перед генными инженерами стоят большие задачи, прежде чем они смогут смешивать, сопоставлять и полностью проектировать геном организма с нуля». [b 4]
Широко разрекламированной особенностью JCVI-syn1.0 является наличие последовательностей водяных знаков. 4 водяных знака (показанные на рисунке S1 в дополнительных материалах статьи [a 1] ) представляют собой закодированные сообщения, записанные в ДНК, длиной 1246, 1081, 1109 и 1222 пар оснований соответственно. Эти сообщения не использовали стандартный генетический код , в котором последовательности из 3 оснований ДНК кодируют аминокислоты, а новый код, изобретенный для этой цели, который читателям предлагалось разгадать. [b 7] Содержание водяных знаков следующее:
В 2016 году Институт Вентера использовал гены из JCVI-syn1.0 для синтеза меньшего генома, который они назвали JCVI-syn3.0, который содержит 531 560 пар оснований и 473 гена. [b 8] В 1996 году, сравнив M. genitalium с другой небольшой бактерией Haemophilus influenzae , Аркадий Мушегян и Юджин Кунин предположили, что может существовать общий набор из 256 генов, который может быть минимальным набором генов, необходимым для жизнеспособности. [b 9] [a 19] В этом новом организме количество генов может быть сокращено только до 473, 149 из которых имеют функции, которые полностью неизвестны. [b 9] По состоянию на 2022 год неизвестный набор был сужен примерно до 100. [b 10] В 2019 году была опубликована полная вычислительная модель всех путей в клетке Syn3.0, представляющая собой первую полную модель in silico для живого минимального организма. [a 20]
6 октября 2007 года Крейг Вентер объявил в интервью британской газете The Guardian , что та же команда синтезировала химическим путем модифицированную версию единственной хромосомы Mycoplasma genitalium . Синтезированный геном еще не был пересажен в рабочую клетку. На следующий день канадская биоэтическая группа ETC Group опубликовала заявление через своего представителя Пэта Муни , в котором говорилось, что «творение» Вентера было «шасси, на котором можно построить почти все что угодно. Это может быть вклад в человечество, например, новые лекарства, или огромная угроза человечеству, например, биологическое оружие». Вентер прокомментировал: «Мы имеем дело с большими идеями. Мы пытаемся создать новую систему ценностей для жизни. Когда дело касается таких масштабов, нельзя ожидать, что все будут счастливы». [b 11]
21 мая 2010 года Science сообщила, что группа Вентера успешно синтезировала геном бактерии Mycoplasma mycoides из компьютерной записи и пересадила синтезированный геном в существующую клетку бактерии Mycoplasma capricolum , из которой была удалена ДНК. «Синтетическая» бактерия была жизнеспособна, т. е. способна к репликации. [b 1] Вентер описал ее как «первый вид... у которого родителями были компьютеры». [b 12]
Создание новой синтетической бактерии JCVI-3.0 было объявлено в журнале Science 25 марта 2016 года. У нее всего 473 гена. Вентер назвал ее «первым в истории сконструированным организмом» и утверждал, что тот факт, что 149 из требуемых генов имеют неизвестные функции, означает, что «вся область биологии упускает треть того, что необходимо для жизни». [a 21]
Проект получил широкое освещение в прессе благодаря артистизму Вентера, до такой степени, что Джей Кислинг , пионер синтетической биологии и основатель Amyris, заметил: «Единственное регулирование, которое нам нужно, — это рот моего коллеги» [b 13] .
Вентер утверждал, что синтетические бактерии являются шагом на пути к созданию организмов для производства водорода и биотоплива , а также для поглощения углекислого газа и других парниковых газов . Джордж М. Чёрч , другой пионер в области синтетической биологии , выразил противоположную точку зрения, что создание полностью синтетического генома не является необходимым, поскольку E. coli растет более эффективно, чем M. genitalium , даже со всей ее дополнительной ДНК; он прокомментировал, что синтетические гены были включены в E. coli для выполнения некоторых из вышеперечисленных задач. [b 14]
Институт Дж. Крейга Вентера подал патенты на геном Mycoplasma laboratorium («минимальный бактериальный геном») в США и за рубежом в 2006 году. [b 15] [b 16] [a 22] Группа ETC, канадская биоэтическая группа, выразила протест на том основании, что патент имел слишком широкую сферу применения. [b 17]
С 2002 по 2010 год группа ученых из Венгерской академии наук создала штамм Escherichia coli под названием MDS42, который теперь продается компанией Scarab Genomics из Мэдисона, штат Висконсин, под названием «Чистый геном. E.coli» [b 18] , где 15% генома родительского штамма (E. coli K-12 MG1655) были удалены для повышения эффективности молекулярной биологии, удаления IS-элементов , псевдогенов и фагов, что привело к лучшему сохранению кодируемых плазмидами токсичных генов, которые часто инактивируются транспозонами. [a 23] [a 24] [a 25] Биохимия и механизм репликации не были изменены.
Кроме того, сложная генетика этих организмов делает последующую проверку существенности путем направленных нокаутов проблематичной и фактически исключает возможность выполнения синтеза de novo «M. laboratorium», источника внимания в популярной прессе.
{{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)