Баги в коде жизни. Главное о проекте Sc2.0, который учится создавать организмы с нуля.

Создать организм с нуля звучит как завязка научной фантастики, но для синтетических биологов это уже рутинная реальность длиною почти в десять лет. Международная команда исследователей, которая впервые в мире переписала геном эукариотической клетки целиком, подвела итоги своего марафона в статье в журнале Nature Biotechnology и подробно разобрала, что в этом пути сработало, а что обернулось болезненными ошибками.

Речь идет о проекте Synthetic Yeast Genome Project (Sc2.0). Более 200 ученых из десятка институтов объединились, чтобы заново спроектировать и химически синтезировать все 16 хромосом пекарских дрожжей. Фактически они переписали весь геном этого хорошо изученного организма объемом около 12 миллионов пар оснований. Команда из Университета Маккуори отвечала за две хромосомы, то есть примерно 12 процентов проекта.

В отличие от классической генной инженерии, где ученые точечно вносят изменения в уже существующую ДНК, участники Sc2.0 решили переписать генетический код с чистого листа. Для каждой хромосомы использовались единые принципы дизайна: удаляли нестабильные фрагменты, добавляли молекулярные «водяные знаки», чтобы отличать синтетическую ДНК от природной, и внедряли систему SCRaMbLE, которая позволяет перемешивать гены и наблюдать, как меняется работа клетки.

Синтетические хромосомы собирали из крупных блоков ДНК, содержащих тысячи пар оснований, а затем поэтапно внедряли эти фрагменты в живые клетки дрожжей. Дальше вступал в дело уже сам организм: его клеточные механизмы «подшивали» новые куски ДНК на нужные места. Когда все 16 хромосом были завершены, исследователи получили беспрецедентную возможность изучать, как устроен геном, не в масштабе отдельных генов, а целой переписанной системы.

Однако даже при единой архитектуре ДНК у всех команд всплывал один и тот же набор проблем. Авторы статьи честно называют их «багами» и подробно перечисляют, чтобы будущим синтетическим биологам не пришлось наступать на те же грабли. Небольшие водяные знаки, которые должны были быть «тихими», иногда неожиданно ломали работу важных генов. Гены, признанные несущественными по старым данным, при удалении приводили к заметным проблемам с ростом клеток.

Отдельной головной болью стала митохондриальная ДНК. Дрожжи не умеют восстанавливать митохондриальный геном с нуля, поэтому любое повреждение превращалось в маленькую спасательную операцию. Приходилось сначала находить и исправлять ошибку, а затем аккуратно вводить в клетку здоровые митохондрии через селекцию и скрещивание.

Для отладки этого «живого кода» команды разработали целый набор инструментов. Среди них метод Pooled PCRtag Mapping, который позволяет одновременно проверять сотни колоний дрожжей и быстро выяснять, какая именно генетическая модификация привела к сбою. Другой пример — подход под названием CRISPR D-BUGS, который комбинирует редактирование генома с селекционными стратегиями и помогает точечно исправлять проблемные места.

По признанию участников проекта, самые тяжелые моменты были не только техническими, но и психологическими. Годы кропотливой работы, медленный прогресс, клетки, которые плохо растут и постоянно «ломаются», требуют упорства не меньше, чем научной смекалки.

Опыт с дрожжами уже ложится в основу куда более амбициозных задач. Команда из Университета Маккуори и Australian Genome Foundry начала работу над первым в мире синтетическим хромосомом сельскохозяйственной культуры, шагом к созданию полностью синтетических растительных геномов. С растениями все сложнее: они растут медленно, их клетки труднее модифицировать и воспроизводить. Поэтому ученые пошли обходным путем и сначала собирают синтетическую растительную хромосому внутри дрожжей, а уже потом планируют переносить ее в клетки растений.

Авторы работы подчеркивают, что ключевой принцип всего проекта можно сформулировать как «учиться, создавая». Пока они заново конструировали геном дрожжей, заодно выяснили множество деталей о том, как именно работает генетический код и за счет чего живые системы сохраняют жизнеспособность после серьезных вмешательств. И, судя по их словам, самые интересные выводы еще впереди.

Момент, когда вся синтетическая ДНК окажется внутри одной единственной клетки, будет не только важной вехой для синтетической биологии. Он обещает дать гораздо более глубокое понимание тех механизмов, которые лежат в основе экосистем, сельского хозяйства и современной медицины и которые до сих пор приходилось изучать по кусочкам.