Минимальный геном как операционная система

Как знают мои постоянные читатели, кроме основного блога я веду на Хабре ещё один, где публикую переводы с английского, посвящённые строгим IT-темам. 21 января я вывесил там материал об игре «Жизнь» Джона Конвея, рассказывающий о создании минимальной жизнеспособной единицы по правилам этой игры. Активное обсуждение статьи, в котором поучаствовал даже уважаемый Павел Гранковский @Pavgran, коммиттер игры, упоминаемый в посте, вернуло меня к мыслям о сборке минимально жизнеспособного биологического генома. Очевидно, что современные возможности секвенирования ДНК и амплификации генов переводят такую задачу в разряд решаемых. На пути к созданию полностью синтетических организмов следовало бы освоить создание полусинтетических, основой для которых мог бы послужить именно такой минимальный геном. Ниже я расскажу о перепрограммировании геномов, искусственном и естественном редуцировании геномов, а также о перспективах таких исследований.

Прокариоты и эукариоты

Можно допустить, что в эукариотической клетке молекула ДНК выступает в качестве хранилища данных (storage), и для обработки этих данных применяется операционная система — трансляционный аппарат. Как сформулировано здесь, «самовоспроизведение генома включает в себя два взаимосвязанных аспекта: матричный («информационный») и конструктивный («операционный»)».

Обработка материи и обработка информации в клетке — это два неразрывных процесса. Клетка одновременно реагирует на два класса стимулов, которые постоянно воздействуют на неё в течение жизни. Во-первых, это поведенческие стимулы, диктуемые окружающей средой. Во-вторых — генетические; клетка подчиняется экспрессии генов, действующих в её ДНК.

Каждая клетка, как прокариотическая, так и эукариотическая — это активный автономный агент. Наиболее известный лабораторный прокариот — кишечная палочка (E. Coli), а все многоклеточные организмы (и многие одноклеточные) состоят из эукариотических клеток. При этом прокариоты значительно мельче эукариот, а устройство двух этих разновидностей клеток отличается настолько, что вряд ли существует способ синтезировать эукариота из прокариотов. Рассмотрим эти отличия подробнее:

Как в одноклеточном, так и в многоклеточном режиме клетка получает на вход химические сигналы (в том числе от других клеток) и реагирует на них. У клетки есть сенсоры для обработки различных сигналов; кроме того, многие одноклеточные могут двигаться при помощи жгутиков или ресничек (обладают моторными функциями). Ещё один важный класс реакций на внешние стимулы — это деление (размножение) клеток и апоптоз (запрограммированная гибель).

Структура управления в клетке также организована иерархически (для примера возьмём более простую клетку, прокариотическую). В геноме выделяются функциональные единицы, которые называются опероны, регулоны и модулоны. Опероны координируют работу групп генов, регулоны отвечают за одновременную активацию как оперонов, так и отдельных генов. На высшем уровне этой иерархии находятся модулоны, регулирующие работу регулонов, оперонов и отдельных генов.   

Минимальный геном

В 1999 году минимальный геном был определён как набор генов, необходимый и достаточный для жизни при слабых ограничительных условиях. Такой набор также называется "гены домашнего хозяйства". Следовательно, минимальный геном должен обеспечивать три фундаментальных условия существования клетки:

1)     Упрощённая система репликации и репарации ДНК (а также налаженная система транскрипции и трансляции для сохранения и корректного использования генетического материала)

2)     Самодостаточный метаболизм, обеспечивающий питание и структурную целостность

3)     Наличие клеточной оболочки, обеспечивающей нормальный метаболизм внутри клетки и обмен веществ между клеткой и окружающей средой как у самого организма, так и у его потомков.

Разработкой и анализом минимальных геномов наиболее известен учёный и венчурный капиталист Крейг Вентер. Наиболее результативная стратегия по поиску минимального генома заключается либо в селекции с постепенным отсечением генов, либо в поиске такого генома у живого микроорганизма, который по каким-то причинам эволюционировал в сторону редукции генома. Как правило, это происходит при переходе организма к паразитическому или мутуалистическому образу жизни. Такие микроорганизмы в основном являются эндосимбионтами, то есть, их жизнь и обмен веществ полностью зависят от хозяина, но и своему хозяину они упрощают и диверсифицируют метаболизм. Эта эволюционная стратегия называется «синдромом редукции генома». В зависимости от длительности такого сосуществования и от конкретного хозяина геном паразита может ограничиваться сотнями тысяч пар оснований. Одним из самых маленьких геномов обладает бактерия Candidatus Hodgkinia cicadicola (эндосимбионт цикады), обходящаяся 144 тысячами пар оснований. Тем не менее, это экстремальные случаи, и в качестве «операционной системы» для свободноживущего организма не подходит. Крейг Вентер взял в качестве модельного организма бактерию Mycoplasma genitalium, в геном которой входит примерно 583 000 пар оснований.       

Синтез генома

В 2008 году геном микоплазмы впервые был химически синтезирован с нуля в институте Вентера. Процесс представлял собой последовательную сборку от олигонуклеотидов до полноценных хромосом. В 2010 году в том же институте на основе генома микоплазмы была создана первая синтетическая клетка.  Эта клетка называется Syn 3.0, она существует в идеальной «экосистеме» и содержит всего 473 гена (против 525 генов) у микоплазмы. Эта клетка нормально растёт, питается и размножается. Входящие в неё гены делятся на следующие функциональные категории:

1)      195 генов регулируют экспрессию: транскрипцию, регуляцию, трансляцию, работу РНК, фолдинг белков, биогенез рибосом, модификацию рРНК (рибосомных РНК) и тРНК (транспортных РНК)

2)      34 гена обеспечивают сохранение генома

3)      84 гена участвуют в поддержании архитектуры клетки

4)      81 ген отвечает за метаболизм

Функция ещё 79 генов пока остаётся невыясненной. 

Сравнение Syn 3.0 и операционной системы

Syn 3.0 оказалась самодостаточной единицей, которая поддаётся встраиванию в эукариотические клетки, например в дрожжи. Таким образом, вслед за синтезом прокариотического генома открываются возможности по перепрограммированию эукариотического генома.

Для реализации стабильных генетических цепочек и пересборки биосинтетических путей требуется переделать весь микроорганизм. При этом необходимо гарантировать, чтобы в ходе такой направленной эволюции организм оставался жизнеспособен, сохранял минимальный набор генов, дополняемый новыми функциональными возможностями (например терапевтическими). В вышеприведённой таблице указано, что прокариоты, в отличие от эукариот, могут подхватывать из окружающей среды плазмиды — наборы генов, предназначенные, например, для подавления антибиотиков.

Приём плазмид — это динамическая интеграция собственного генома с заимствованными компонентами, причём у некоторых бактерий генетический материал в плазмидах может превышать по объёму собственный бактериальный геном. Кроме того, прокариоты неприхотливы по части метаболических путей. Они могут эволюционировать из аэробных форм в анаэробные, а  энергию извлекать из источников, непригодных для питания эукариот. При всех подобных опытах важно минимизировать исходный геном, на котором будут надстраиваться дополнительные функции. Уменьшение и надстройка — это частные  случаи редактирования геномов при помощи технологий CRISPR и Cas9. Подробный разбор этих технологий выходит за рамки поста, на Хабре они хорошо рассмотрены, например, здесь.

ДНК-оригами и ДНК-домино

Наконец, создание минимальных геномов открывает путь к вычислениям на основе нуклеиновых кислот, где ДНК используется в качестве хранилища данных, а РНК — для передачи информации и реализации логических операторов. Такие исследования ведутся в Microsoft с середины 2010-х, причём рекорд по объёму информации, записываемой в ДНК, постоянно обновляется. Одна из наиболее перспективных технологий для таких вычислений — ДНК-оригами, позволяющая не только свёртывать ДНК в компактные фигуры, но и оптимизировать расположение нуклеотидов для быстрого неразрушающего считывания. Чем меньше геном, тем быстрее и надёжнее обеспечивается его масштабирование (амплификация), резервное копирование и версионирование.

В 2017 году специалисты Microsoft и Вашингтонского университета подготовили статью для журнала Nature Nanotechnology, в которой впервые продемонстрировали, как при помощи ДНК-оригами реализовать в ДНК логические вентили AND и OR. Поскольку эти операции объединяются в цепочки, авторы называют свой метод не «ДНК-оригами», а «ДНК-домино».

По-видимому, именно здесь проходит та граница, после которой микроорганизм начинает вести себя как компьютер. В том же 2017 году Александер Грин из Гарварда и его исследовательская группа продемонстрировали сложную вычислительную логику на основе рибосом, собрав первый «рибокомпьютер». РНК в таком наноустройстве начинает работу, только будучи активирована химическим сигналом. Она содержит команды не только для синтеза белков, но и для логических функций. В опытах Грина РНК собирала фосфоресцирующий белок (свечение служило индикатором успешного выполнения программы).   

Грин считает, что такие логические молекулы уже не уступают по сложности первым транзисторам, а значит, из них можно собирать и более сложные схемы. Он говорит о создании специальной «вентильной РНК» (gate RNA), которая может доставляться в клетку в плазмидах. Самая сложная конструкция, которую Грину удалось создать in vitro, включает 5 вентилей AND, 5 вентилей OR и 2 вентиля NOT. Впрочем, в клетке весь генетический материал перемешан, и для исключения «случайных срабатываний» может потребоваться целый новый класс алгоритмов, выполнение которых в клетке должно немедленно прекращаться или откатываться, если что-то пойдёт не так. Важнейшее условие для контроля над такими устройствами — поддержание генома в минимальной необходимой комплектации, которая при этом оставалась бы жизнеспособной и легко воспроизводимой.