Войти
| Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 | |
|---|---|
Научная классификация  | |
| Домен: | Бактерии |
| Тип: | Tenericutes |
| Класс: | Молликуты |
| Порядок: | Mycoplasmatales |
| Семья: | Mycoplasmataceae |
| Род: | Микоплазма |
| Разновидность: | М. mycoides |
| Подвиды: | М. М. JCVI-syn1.0 |
| Трехчленное имя | |
| Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 Гибсон и др., 2010 г. | |
| Синонимы | |
| Лаборатория микоплазм Райх, 2000 г. | |
Mycoplasma labratorium или Synthia относится к синтетическому штамму бактерии. Проект создания новой бактерии развивался с момента его создания. Первоначально цель состояла в том, чтобы определить минимальный набор генов, которые необходимы для поддержания жизни от генома из Mycoplasma гениталий, и восстановить эти гены синтетический создать «новый» организм. Изначально Mycoplasma genitalium была выбрана в качестве основы для этого проекта, потому что в то время у нее было наименьшее количество генов из всех проанализированных организмов. Позже внимание переключилось на Mycoplasma mycoides и было выбрано больше проб и ошибок.
Чтобы идентифицировать минимальные гены, необходимые для жизни, каждый из 482 генов M. genitalium был индивидуально удален, и была проверена жизнеспособность полученных мутантов. Это привело к идентификации минимального набора из 382 генов, который теоретически должен представлять минимальный геном. В 2008 году в лаборатории был сконструирован полный набор генов M. genitalium с добавлением водяных знаков для идентификации генов как синтетических. Однако M. genitalium растет чрезвычайно медленно, и M. mycoides был выбран в качестве нового объекта для ускорения экспериментов, направленных на определение набора генов, действительно необходимых для роста.
В 2010 году полный геном M. mycoides был успешно синтезирован из компьютерной записи и трансплантирован в существующую клетку Mycoplasma capricolum, у которой была удалена ДНК. Подсчитано, что синтетический геном, использованный в этом проекте, обошелся в 40 миллионов долларов США и 200 человеко-лет на производство. Новая бактерия могла расти и получила название JCVI-syn1.0 или Synthia. После дополнительных экспериментов по идентификации меньшего набора генов, которые могли бы продуцировать функциональный организм, был получен JCVI-syn3.0, содержащий 473 гена. 149 из этих генов имеют неизвестную функцию. Поскольку геном JCVI-syn3.0 является новым, он считается первым по-настоящему синтетическим организмом.
Производство Synthia - это усилие синтетической биологии в Институте Дж. Крейга Вентера группой из примерно 20 ученых во главе с лауреатом Нобелевской премии Гамильтоном Смитом, включая исследователя ДНК Крейга Вентера и микробиолога Клайда А. Хатчисона III. Общая цель состоит в том, чтобы сократить живой организм до самого необходимого и, таким образом, понять, что требуется для создания нового организма с нуля. Первоначально в центре внимания находилась бактерия M. genitalium, облигатный внутриклеточный паразит, геном которого состоит из 482 генов, содержащих 582970 пар оснований, расположенных на одной круговой хромосоме (на момент начала проекта это был самый маленький геном любого известного природного организма, который может выращиваться в свободной культуре). Они использовали мутагенез транспозонов для идентификации генов, которые не были важны для роста организма, в результате чего был получен минимальный набор из 382 генов. Эта работа была известна как проект минимального генома.
Mycoplasma - это род бактерий класса Mollicutes в подразделении Tenericutes, характеризующийся отсутствием клеточной стенки (что делает ее грамотрицательной ) из-за паразитического или комменсального образа жизни. В молекулярной биологии этому роду уделялось много внимания как из-за того, что он является чрезвычайно трудным для искоренения загрязнителя в культурах клеток млекопитающих (он невосприимчив к бета-лактамам и другим антибиотикам ), так и из-за его потенциального использования в качестве модельного организма из-за его небольшой размер генома. Выбор рода для проекта Synthia датируется 2000 годом, когда Карл Райх придумал фразу Mycoplasma labratorium.
По состоянию на 2005 год Pelagibacter ubique ( α-протеобактерия порядка Rickettsiales ) имеет наименьший известный геном (1308759 пар оснований) среди всех свободноживущих организмов и является одной из самых маленьких известных самовоспроизводящихся клеток. Это, возможно, самая многочисленная бактерия в мире (возможно, 10 28 отдельных клеток) и, вместе с другими членами клады SAR11, по оценкам, составляет от четверти до половины всех бактериальных или архейных клеток в океане. Он был идентифицирован в 2002 году по последовательностям рРНК и был полностью секвенирован в 2005 году. Чрезвычайно трудно культивировать виды, которые не достигают высокой плотности роста в лабораторных условиях. Несколько недавно обнаруженных видов имеют меньше генов, чем M. genitalium, но не являются свободноживущими: многие важные гены отсутствуют у Hodgkinia cicadicola, Sulcia muelleri, Baumannia cicadellinicola (симбионты цикад ) и Carsonella ruddi (симбиот черноплодной черешки желчной псиллиды, Pachypsylla venusta ) может кодироваться в ядре хозяина. Организм с наименьшим известным набором генов по состоянию на 2013 год - это Nasuia deltocephalinicola, облигатный симбионт. У него всего 137 генов и размер генома 112 т.п.н.
| название вида | количество генов | размер (Мбайт) |
|---|---|---|
| Candidatus Hodgkinia cicadicola Dsem [1] | 169 | 0,14 |
| Candidatus Carsonella ruddii PV [2] | 182 | 0,16 |
| Candidatus Sulcia muelleri GWSS [3] | 227 | 0,25 |
| Candidatus Sulcia muelleri SMDSEM [4] | 242 | 0,28 |
| Buchnera aphidicola str. Чинара Чедри [5] | 357 | 0,4261 |
| Mycoplasma genitalium G37 [6] | 475 | 0,58 |
| Candidatus Phytoplasma mali [7] | 479 | 0,6 |
| Buchnera aphidicola str. Baizongia histaciae [8] | 504 | 0,6224 |
| Nanoarchaeum equitans Kin4-M [9] | 540 | 0,49 |
Для этого проекта необходимо было разработать или адаптировать несколько лабораторных методов, поскольку он требовал синтеза и обработки очень больших фрагментов ДНК.
В 2007 году команда Вентера сообщила, что им удалось перенести хромосому вида Mycoplasma mycoides в Mycoplasma capricolum с помощью:
Термин трансформация используется для обозначения введения вектора в бактериальную клетку (электропорацией или тепловым шоком). Здесь трансплантация используется как ядерная трансплантация.
В 2008 году группа Вентера описала получение синтетического генома, копии последовательности L43967 M. genitalium G37, с помощью иерархической стратегии:
Геном этого результата 2008 г., M. genitalium JCVI-1.0, опубликован в GenBank как CP001621.1. Его не следует путать с более поздними синтетическими организмами, обозначенными JCVI-syn, на основе M. mycoides.
В 2010 году Вентер и его коллеги создали штамм Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 с синтетическим геномом. Первоначально синтетическая конструкция не работала, поэтому для точного определения ошибки, которая вызвала задержку на 3 месяца для всего проекта, была создана серия полусинтетических конструкций. Причиной сбоя была единственная мутация сдвига рамки считывания в DnaA, факторе инициации репликации.
Целью создания клетки с синтетическим геномом была проверка методологии как шаг к созданию модифицированных геномов в будущем. Использование естественного генома в качестве шаблона минимизировало потенциальные источники неудач. В Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 присутствует несколько различий по сравнению с эталонным геномом, в частности, транспозон E.coli IS1 (инфекция со стадии 10kb) и дупликация 85bp, а также элементы, необходимые для размножения в дрожжах и остатки из сайты ограничения.
Существуют разногласия по поводу того, является ли JCVI-syn1.0 истинным синтетическим организмом. Хотя геном был синтезирован химическим путем во многих частях, он был сконструирован так, чтобы он точно соответствовал родительскому геному, и был трансплантирован в цитоплазму естественной клетки. Сама по себе ДНК не может создать жизнеспособную клетку: белки и РНК необходимы для чтения ДНК, а липидные мембраны необходимы для разделения ДНК и цитоплазмы. В JCVI-syn1.0 два вида, используемые в качестве донора и реципиента, относятся к одному роду, что снижает потенциальные проблемы несоответствия между белками в цитоплазме хозяина и новым геномом. Пол Кейм (молекулярный генетик из Университета Северной Аризоны во Флагстаффе ) отметил, что «перед генными инженерами предстоит смешать, сопоставить и полностью сконструировать геном организма с нуля».
Скрытый водяной знак на полупроводниковом чипе 1976 года, служащий подписью его создателей. Аналогичным образом JC Venter и его команда добавили водяные знаки, используя стоп-кодоны, чтобы подписать свое создание. Широко разрекламированная особенность JCVI-syn1.0 - это наличие последовательностей водяных знаков. Четыре водяных знака (показанные на рисунке S1 в дополнительном материале к статье) представляют собой закодированные сообщения, записанные в ДНК, длиной 1246, 1081, 1109 и 1222 пар оснований соответственно. В этих сообщениях использовался не стандартный генетический код, в котором последовательности из 3 оснований ДНК кодируют аминокислоты, а новый код, изобретенный для этой цели, который читатели должны были разгадать. Содержание водяных знаков следующее:
Генные функции в минимальном геноме из синтетического организма, Syn 3. В 2016 году Институт Вентера использовал гены из JCVI-syn1.0 для синтеза меньшего генома, который они назвали JCVI-syn3.0, который содержит 531 560 пар оснований и 473 гена. В 1996 году, сравнив M. genitalium с другой небольшой бактерией Haemophilus influenza, Аркадий Мушегян и Юджин Кунин предположили, что может существовать общий набор из 256 генов, который может быть минимальным набором генов, необходимых для жизнеспособности. В этом новом организме количество генов можно сократить только до 473, 149 из которых имеют совершенно неизвестные функции. В 2019 году была опубликована полная вычислительная модель всех путей в клетке Syn3.0, представляющая первую полную модель in silico для живого минимального организма.
6 окт 2007, Крейг Вентер объявил в интервью британской The Guardian газете, что та же самая команда синтезировали модифицированную версию одной хромосомы из Mycoplasma гениталий химически. Синтезированный геном еще не был пересажен в рабочую клетку. На следующий день канадская группа по биоэтике, ETC Group, выступила с заявлением через своего представителя Пэта Муни, в котором говорилось, что «творение» Вентера было «шасси, на котором можно построить почти все что угодно. огромная угроза человечеству, такая как биологическое оружие ". Вентер прокомментировал: «Мы имеем дело с большими идеями. Мы пытаемся создать новую систему ценностей для жизни. Работая в таком масштабе, нельзя ожидать, что все будут счастливы».
21 мая 2010 года Science сообщила, что группа Вентера успешно синтезировала геном бактерии Mycoplasma mycoides из компьютерной записи и трансплантировала синтезированный геном в существующую клетку бактерии Mycoplasma capricolum, у которой была удалена ДНК. «Синтетическая» бактерия была жизнеспособной, то есть способной к репликации. Вентер описал его как «первый вид… родителями которого были компьютеры».
О создании новой синтетической бактерии JCVI-3.0 было объявлено в журнале Science 25 марта 2016 года. У нее всего 473 гена. Вентер назвал его «первым созданным организмом в истории» и утверждал, что тот факт, что 149 требуемых генов имеют неизвестные функции, означает, что «всей области биологии не хватает одной трети того, что необходимо для жизни».
Проект получил широкое освещение в прессе из-за зрелищности Вентера, до такой степени, что Джей Кислинг, новаторский синтетический биолог и основатель Amyris, прокомментировал: «Единственное, что нам нужно, - это слова моего коллеги».
Вентер утверждал, что синтетические бактерии - это шаг к созданию организмов для производства водорода и биотоплива, а также для поглощения углекислого газа и других парниковых газов. Джордж М. Черч, другой пионер синтетической биологии, выразил противоположное мнение о том, что создание полностью синтетического генома не является необходимым, поскольку E. coli растет более эффективно, чем M. genitalium, даже со всей ее дополнительной ДНК; он прокомментировал, что синтетические гены были включены в кишечную палочку для выполнения некоторых из вышеперечисленных задач.
Институт Дж. Крейга Вентера зарегистрировал патенты на геном Mycoplasma labratorium («минимальный бактериальный геном») в США и за рубежом в 2006 году. Группа ETC, канадская биоэтическая группа, протестовала на том основании, что патент был слишком широк..
С 2002 по 2010 год группа из Венгерской академии наук создала штамм кишечной палочки под названием MDS42, который сейчас продается компанией Scarab Genomics из Мэдисона, штат Висконсин под названием «Чистый геном. E.coli», где 15% геном родительского штамма (E. coli K-12 MG1655) был удален для повышения эффективности молекулярной биологии, удаления IS-элементов, псевдогенов и фагов, что привело к лучшему сохранению кодируемых плазмидой токсичных генов, которые часто инактивируются транспозонами. Биохимия и репликационный аппарат не изменились.
Кроме того, сложная генетика этих организмов делает последующую проверку эссенциальности с помощью направленных нокаутов проблематичной и практически исключает возможность выполнения de novo синтеза 'M. labratorium ', источник внимания в популярной прессе.
