Искусственные клетки с минимальным геномом смогли нормально поделиться

Биологи определили гены, которых не хватало бактериальным клеткам с минимальным искусственным геномом JCVI-syn3.0, чтобы нормально делиться. Недостающие семь генов добавили в геном одноклеточных организмов, которые назвали JCVI-syn+126. Клетки смогли нормально поделиться, сохраняя морфологические характеристики в поколениях. Открытие набора генов, необходимого для деления бактерий, позволит подробнее изучить этот процесс на молекулярном уровне и может оказаться полезным для создания других искусственных штаммов. Исследование опубликовано в журнале Cell.

Первый одноклеточный организм с полностью искусственным геномом создали в 2010 году. Для этого в клетках бактерии микоплазма разрушили всю ДНК и заменили на геном, который полностью синтезировали искусственно. Новый организм назвали JCVI-syn1.0 — в честь института Дж. Крейга Вентера (J. Craig Venter Institute), где создали клетки. Геном JCVI-syn1.0 имел длину около миллиона пар оснований и 901 ген.

Позже исследователи попытались определить, сколько и каких генов будет достаточно для существования клеток с искусственным геномом. Постепенно уменьшая количество ДНК, исследователи создали клетки с минимальным геномом — JCVI-syn3.0. В самом простом синтетическом геноме содержалось уже 473 гена, которые тоже позволяли клеткам нормально существовать. Однако новые клетки не могли правильно делиться — дочерние клетки оказались разных форм и размеров, тогда как их предшественники JCVI-syn1.0 оставались одинаковыми и шарообразными.

Биологи из технологического института Массачусетса под руководством Джеймса Пеллетье (James F. Pelletier) определили, каких генов недоставало JCVI-syn3.0, чтобы правильно делиться. Для этого они перепроверили каждый сегмент генома JCVI-syn1.0, которые сокращали для получения JCVI-syn3.0. Оказалось, что удаление одного из сегментов (шестого) вызывало у JCVI-syn1.0 такие же нарушения деления, как и у JCVI-syn3.0, в то время как сокращение других сегментов не влияло на форму и размер дочерних клеток.

В этом сегменте содержалось 76 генов, и биологи последовательно проверили, как на клетки влияет последовательное удаление их кластеров. Так им удалось определить один из кластеров, роль которого в делении уже была показана. Его добавление в геном JCVI-syn3.0 восстанавливало ее способность к делению. В этом кластере содержалось 19 генов, из которых 3 кодировали рибосомную РНК, а еще 16 — белки, которые разделили по схожести на 8 групп. 

Последовательное добавление групп в геном JCVI-syn3.0 показало, что для нормального деления нужны семь генов. Штамм с ними назвали JCVI-syn3.0+126 — по номерам групп, к которым принадлежали гены. Из них всего два уже изучены (их функция связана как раз с делением), а остальные пять — пока функционально не охарактеризованы. Авторы считают, что это открытие позволит подробнее изучить деление бактерий на молекулярном уровне и может оказаться полезным для создания других искусственных штаммов.

Искусственные клетки создают не только на основе бактериальных, но и из простых мембранных шариков с ДНК, порами и ферментным аппаратом для синтеза белка. В них гораздо меньше генов и воспроизводиться они не умеют. Недавно такие клетки даже научили химически общаться с клетками млекопитающих, что может помочь для доставки лекарств по организму.

Анна Муравьева