Синтия

Синтия — это неофициальное название первого в мире синтетического генома бактерии, созданного в 2010 году группой учёных под руководством Крейга Вентера. Полное научное обозначение организма — Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0. Создание «Синтии» стало важным этапом в развитии синтетической биологии, продемонстрировав возможность конструирования генома с нуля и его «оживления» в клетке-реципиенте.

История создания

Предпосылки

Идея создания искусственной жизни возникла задолго до практической реализации. В 1995 году группа Крейга Вентера впервые секвенировала геном бактерии Mycoplasma genitalium — самого маленького известного генома среди свободноживущих организмов (около 580 тысяч пар оснований). Это открытие позволило определить минимальный набор генов, необходимых для жизни. В 2003 году Вентер основал Институт Дж. Крейга Вентера (JCVI), где начались работы по синтезу искусственного генома.

Первый этап: синтез генома

В 2008 году команда JCVI объявила о синтезе полного генома Mycoplasma genitalium (JCVI-1.0), состоящего из 582 970 пар оснований. Однако этот геном не был «оживлён» — он не мог функционировать в клетке. Основной проблемой оказалась низкая точность синтеза длинных цепочек ДНК: химический синтез олигонуклеотидов приводил к многочисленным ошибкам. Для устранения ошибок учёные разработали метод сборки генома из фрагментов длиной 5–7 тысяч пар оснований, которые затем проверялись и корректировались.

Второй этап: создание «Синтии»

В 2010 году исследователи JCVI выбрали в качестве модели Mycoplasma mycoides — бактерию с более крупным геномом (1,08 миллиона пар оснований), чем у M. genitalium, но с хорошо изученной биологией. Синтез генома занял около трёх лет. Ключевой задачей было не только точное воспроизведение последовательности, но и удаление из генома «мусорной» ДНК и потенциально опасных генов (например, факторов вирулентности). В итоговый геном было внесено несколько изменений:

• удалены гены, ответственные за патогенность;
• добавлены «водяные знаки» — последовательности, кодирующие имена авторов, цитаты и адрес электронной почты (для доказательства искусственного происхождения);
• изменён код некоторых генов для упрощения идентификации.

Трансплантация и «оживление»

Синтезированный геном был встроен в клетку Mycoplasma capricolum, из которой предварительно удалили собственный генетический материал. Для этого использовалась методика трансплантации генома, разработанная ранее. После внедрения синтетической ДНК клетка начала синтезировать белки, кодируемые новым геномом, и через несколько дней в лабораторной среде появились жизнеспособные бактерии, полностью идентичные Mycoplasma mycoides по внешним признакам, но с искусственным геномом. Этот организм и получил неофициальное название «Синтия» (от англ. synthetic — синтетический).

Характеристики

Геном

• Размер: 1 077 947 пар оснований.
• Количество генов: около 900.
• Содержание GC: 24,1% (низкое, что характерно для микоплазм).
• Кодирующие последовательности: 85% генома занимают гены, кодирующие белки; остальное — регуляторные участки, РНК-гены и «водяные знаки».

«Водяные знаки»

В геном «Синтии» были встроены четыре искусственные последовательности:

1. Имена 46 основных участников проекта.
2. Цитата из книги Джеймса Джойса «Портрет художника в юности»: «To live, to err, to fall, to triumph, to recreate life out of life» (Жить, ошибаться, падать, торжествовать, воссоздавать жизнь из жизни).
3. Адрес электронной почты для связи с авторами.
4. Ссылка на веб-сайт JCVI.

Биологические особенности

«Синтия» является точной копией Mycoplasma mycoides по метаболизму, морфологии и способности к размножению. Она не содержит генов, делающих её патогенной для человека или животных. Бактерия требует сложной питательной среды, богатой стеринами и нуклеотидами, что делает её зависимой от лабораторных условий.

Значение и критика

Научное значение

Создание «Синтии» продемонстрировало возможность:

• синтеза генома длиной более миллиона пар оснований с высокой точностью;
• «оживления» искусственного генома в клетке-реципиенте;
• создания организмов с заданными свойствами (например, удаление патогенных генов).

Это открыло путь к разработке синтетических микроорганизмов для промышленности, медицины и экологии. Например, потенциально возможно создание бактерий, способных производить биотопливо, лекарства или разлагать загрязнители.

Этические и философские аспекты

Проект вызвал широкую дискуссию о границах вмешательства человека в природу. Основные вопросы:

• Можно ли считать «Синтию» «искусственной жизнью»? Критики указывают, что геном был синтезирован, но клетка-реципиент была естественной, поэтому организм не является полностью искусственным.
• Каковы риски непреднамеренного создания опасных форм жизни? Вентер и его коллеги подчеркнули, что приняли меры для предотвращения этого (удаление патогенных генов, зависимость от лабораторной среды).
• Должны ли такие технологии регулироваться на международном уровне? В 2010 году президент США Барак Обама поручил Комиссии по биоэтике изучить последствия создания синтетической жизни.

Критика со стороны научного сообщества

Некоторые биологи скептически отнеслись к заявлениям о «создании жизни». Они отмечали, что:

• геном был синтезирован, но не спроектирован с нуля — он копировал существующий природный геном;
• «оживление» произошло в естественной клетке, а не в искусственной мембране;
• работа не решила фундаментальных вопросов о происхождении жизни, а лишь продемонстрировала технические возможности.

Дальнейшее развитие

Синтетическая бактерия JCVI-syn3.0

В 2016 году команда JCVI создала новый организм — Mycoplasma mycoides JCVI-syn3.0, чей геном был сокращён до 531 000 пар оснований (всего 473 гена). Это минимальный геном, способный поддерживать жизнь в лабораторных условиях. «Синтия» стала предшественником этой работы, так как позволила отработать методы синтеза и трансплантации.

Промышленное применение

Хотя «Синтия» не используется в коммерческих целях, технология, разработанная для её создания, применяется в синтетической биологии. Например, компания Synthetic Genomics (основанная Крейгом Вентером) занимается созданием микроорганизмов для производства биотоплива и кормов для аквакультуры.

Интересные факты

• Название «Синтия» не является официальным и не используется в научных публикациях. Оно появилось в СМИ как сокращение от «синтетическая».
• В геном «Синтии» был встроен «водяной знак» с цитатой из Джойса, что вызвало критику со стороны некоторых учёных, считавших это неуместным для научного проекта.
• Создание «Синтии» обошлось примерно в 40 миллионов долларов США, финансирование осуществлялось в основном за счёт грантов и частных инвестиций.

Источники

• Gibson, D. G., et al. (2010). Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome. Science, 329(5987), 52–56.
• Hutchison, C. A., et al. (2016). Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science, 351(6280), aad6253.
• Институт Дж. Крейга Вентера (JCVI). Официальные пресс-релизы 2010 года.
• Обзоры в журналах Nature и Scientific American за 2010–2011 годы.