Расшифрованная жизнь. Мой геном, моя жизнь - [160]
Вопросы были не только «простыми», они были еще и наивными. Мы убедились в этом, когда секвенировали наш третий геном, геном археи Methanococcus jannaschii – так называемого автотрофного организма, для своего существования использующего только неорганические химические вещества. Вместо углеводородного обмена, применяемого для получения энергии другими микроорганизмами, Methanococcus преобразует углекислый газ в метан. Мне становилось ясно, что существуют различные генные кассеты, которые в клетках микроорганизмов можно заменять в зависимости от среды обитания. Такие клетки, как Methanococcus, выживают там, где мало или вообще нет углеводов, поэтому у них и нет генов, обеспечивающих возможность их усвоения. Нельзя определить минимальную операционную систему для жизни именно потому, что это зависит от того, в каких условиях эта жизнь обитает. В лучшем случае мы могли бы определить, что такое «минимальный геном». По мере получения дополнительных данных эта концепция получила дальнейшее развитие.
Мы провели серию экспериментов, чтобы удалить некоторые гены из генома Mycoplasma genitalium и посмотреть, какие из них не нужны ему для жизни. Клайд и его постдок Скотт Петерсон разработали новый метод, мы назвали его транспозонный мутагенез генома. Он заключается во встраивании случайным образом чужих ДНК в середину генов, тем самым нарушая их функцию, чтобы увидеть, какой эффект это оказывает на организм. Чужие ДНК представляют собой транспозоны, небольшие сегменты ДНК, содержащие необходимые генетические элементы для случайного встраивания в любом участке генома. Существенная часть нашего генома состоит из таких паразитных ДНК, которых гораздо больше, чем кодирующих генов.
В наших экспериментах мембраны клеток микроорганизмов делались проницаемыми, чтобы транспозон мог проникнуть внутрь и обрести новый «дом» в произвольно выбранном месте генома. Когда транспозон встраивался в последовательность какого-либо гена, он этот конкретный ген подавлял. Для отслеживания наших действий мы добавили к транспозону ген устойчивости к антибиотикам. Таким образом, мы знали, что клетки, выживающие в присутствии антибиотика, обладали этим геном устойчивости и, как следствие, содержали доставивший его транспозон. Спроектировать метод прочтения генетического кода с конца транспозона в генетическом коде выживших колоний Mycoplasma genitalium не составило большого труда. У нас была полная последовательность генома Mycoplasma genitalium, и сам текст этой последовательность показывал, в каком именно месте произошла вставка транспозона. Если он находился в середине гена и клетки оставались живыми, мы могли считать его несущественным для жизнедеятельности клетки в условиях ее роста. Даже без обсуждения аспектов влияния окружающей среды эти результаты дали нам более глубокое понимание, почему трудно определять функции генов, необходимых для жизни.
Для примера возьмем два гена в Mycoplasma genitalium, из которых один кодирует белок, участвующий в доставке глюкозы в клетку, а второй – белок, переносящий фруктозу. Mycoplasma genitalium выживает на любом из этих углеводов. Если в среде обитания клетки имеется только глюкоза, транспозоны способны вставляться в геном переносчика фруктозы без каких-либо последствий для клетки. Из этих экспериментов можно сделать вывод: ген переносчика фруктозы не существен для жизнедеятельности клетки при этих условиях. Однако, если клетке доступна только фруктоза, переносчик фруктозы становится существенным. Контекст имеет решающее значение, если мы хотим понять функции генов.
Еще одна сложность состояла в том, что наши колонии Mycoplasma не были клонами, и вполне вероятно, что один вариант Mycoplasma с геном выживания поддерживал своих «братьев и сестер», из которых этот ген был «выбит» транспозоном. На протяжении многих лет команда во главе с Джоном Глассом проводили тщательные эксперименты на клонах, добиваясь, чтобы этого не происходило.
После сравнения поведения генов в организме путем компьютерного анализа 13 родственных секвенированных геномов мы получили набор из примерно 99 генов, без которых, как мы полагали, геном Mycoplasma genitalium мог обойтись. В результате оказалось, что одна пятая его генома является избыточной, и мы наконец-то получили некоторое представление о необходимом для жизни абсолютном генетическом минимуме.
С помощью новых методик, разработанных нами для исследований Phi-X174, я вместе с Хэмом и Клайдом приступил к конструированию всего организма Mycoplasma genitalium из обычных лабораторных химических соединений. Когда я пишу эти строки, наша работа уже выполнена руками команды из 20 человек. Буквально на каждом этапе нам приходилось разрабатывать все новые и новые методики для решения постоянно возникавших технических проблем.
