Метод, позволяющий встроить геном одного вида бактерий в «мертвые» клетки другого вида, может открыть новые возможности для специалистов в области синтетической биологии.
Учёные «воскресили» «мертвые» бактериальные клетки, заменив их нефункциональную ДНК рабочим геномом другого вида. Это достижение, о котором в этом месяце сообщается на сервере препринтов bioRxiv , может дать новый импульс работам по модификации микроорганизмов путем переноса целых геномов в бактерии с целью придания им полезных свойств, таких как производство лекарств или биотоплива. Подобные переносы геномов, в том числе и тот, который привел к появлению этих «клеток-зомби», до сих пор удавалось осуществлять только между видами, принадлежащими к одному и тому же классу бактерий. Но если исследователи смогут регулярно создавать «зомби» на основе других бактерий, этот подход можно будет использовать для тестирования модифицированных геномов более широко изучаемых видов, таких как лабораторная классика Escherichia coli.
«Для меня эта статья представляет собой значительный шаг вперед в области генной инженерии в синтетической биологии», — говорит Оливье Борковски, специалист по синтетической биологии из Французского национального научно-исследовательского института сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды (Франция). Более 15 лет назад исследователи химически синтезировали геном бактерии Mycoplasma mycoides длиной 1,1 миллиона пар оснований и перенесли его в живые клетки близкородственного вида Mycoplasma capricolum, создав то, что они назвали первой синтетической клеткой. Группа, в состав которой входили некоторые исследователи из последнего исследования, добавила в синтетический геном M. mycoides ген, придающий устойчивость к антибиотику тетрациклину. Это означало, что если исследователи перенесут этот геном в M. capricolum, а затем вырастят клетки-реципиенты в присутствии тетрациклина, то выживут только те клетки, которые успешно ассимилировали синтетический геном — что стало бы признаком успеха эксперимента.
В исследовании 2016 года была успешно осуществлена трансплантация геномов между видами, относящимися к тому же классу бактерий, что и Mycoplasma, называемому Mollicutes. Однако попытки трансплантации геномов в более широком масштабе закончились неудачей, рассказывает Джон Гласс, специалист по синтетической биологии из Института Дж. Крейга Вентера (США), и автор как новой предварительной публикации, так и исследования по синтетическим клеткам. Кажущиеся успехи с другими бактериями оказались ложноположительными результатами, поскольку геномы клеток-реципиентов могли встраивать гены резистентности к антибиотикам посредством процесса, называемого гомологичной рекомбинацией. Это означало, что клетки-реципиенты выживали бы, даже если бы не поглотили весь геном донора. (M. capricolum не давал ложноположительных результатов в экспериментах 15 лет назад, поскольку не обладает этой способностью к рекомбинации.)
В поисках способа переноса геномов, не требующего постоянной озабоченности ложными срабатываниями, Гласс и его коллеги сообщили в своей предварительной публикации в этом месяце, что они инактивировали геномы клеток-реципиентов, лишив их способности к репликации, то есть сделав их функционально мертвыми. Это также предотвращает включение в геномы реципиентов чужеродной ДНК, такой как гены устойчивости, посредством рекомбинации. Ученые создали эти «мертвые» клетки M. capricolum, обработав их химиотерапевтическим препаратом митомицин C, повреждающим ДНК. Когда модифицированные геномы M. mycoides были перенесены в клетки M. capricolum, обработанные митомицином C, небольшая часть клеток-реципиентов выжила. «Клетка обречена на гибель, но мы даем ей жизнь», — говорит Гласс. Он и его коллеги называют этих выживших «клетками-зомби» в своей предварительной публикации, которая еще не прошла экспертную оценку. Группа использовала M. capricolum в качестве доказательства концепции и надеется, что этот метод можно будет адаптировать для других бактерий.
Исследователи до сих пор не до конца понимают, почему трансплантация генома — с «зомби-реципиентами» или без них — так хорошо работает между видами Mycoplasma. Но поиск ответа станет ключом к совершенствованию этой технологии и ее применению к другим микроорганизмам, говорит Гласс. Том Эллис, специалист по синтетической биологии из Имперского колледжа Лондона, впечатлён этой работой и надеется, что в конечном итоге исследователи смогут создать «зомби» из других видов бактерий. Однако, по его словам, возможно существуют способы подтвердить перенос больших фрагментов ДНК в бактерии-реципиенты без использования селективных маркеров, которые могут приводить к ложноположительным результатам, таким как гены антибиотикорезистентности. Чтобы обеспечить поглощение синтетической последовательности, Эллис и его коллеги используют систему редактирования генов CRISPR для создания разрезов в последовательности ДНК реципиента, которую они заменяют. Гласс и его группа признают, что CRISPR также можно использовать для подавления проблемных генов в клетках-реципиентах, например, тех, которые участвуют в гомологичной рекомбинации. Борковски с нетерпением ждет роста популярности зомби-клеток. Комбинирование геномов и «клеточных шасси» разных бактерий было бы интересно с эволюционной точки зрения, чтобы увидеть, какие комбинации работают, а какие нет.
Зомби-клетки с обедненным геномом также могут быть полезны для тестирования функциональности микробных геномов, разработанных с помощью инструментов искусственного интеллекта, добавляет Борковски. «Если удастся разработать надежные протоколы для зомби-клеток E. coli или других модельных организмов, этот подход может стать универсальной платформой для синтетической биологии».
