» » Искусственный геном из двух генов успешно самовоспроизводится и эволюционирует

Искусственный геном из двух генов успешно самовоспроизводится и эволюционирует


Искусственный геном из двух генов успешно самовоспроизводится и эволюционирует

Рис. 1. Схема работы искусственной системы, имитирующей репликацию и эволюцию в живых клетках. А — общая схема эксперимента. Б — схема репликации и рекомбинации искусственного «генома» в сопряжении с транскрипцией и трансляцией на уровне индивидуальных молекул, обеспечивающими реализацию самопроизвольной эволюции последовательности ДНК в ряду «поколений». Подробности в тексте. Рисунок из обсуждаемой статьи в ACS Synthetic Biology


Японским ученым удалось создать предельно простую систему, воспроизводящую некоторые базовые свойства клеточной жизни — способность к самовоспроизводству и эволюции на основе дарвиновского механизма отбора. В этой системе присутствует искусственный «геном» (кольцевая ДНК), который размножается посредством репликации и рекомбинации. «Геном» содержит гены, которые кодируют ферменты, обеспечивающие эти два процесса (ДНК полимеразу фага phi29 и рекомбиназу Cre). Транскрипция и трансляция этих генов осуществляется готовым коктейлем ферментов и низкомолекулярных соединений, добавляемым в систему в каждом раунде репликации. Реакции протекают в искусственно формируемых микрокомпартментах — капельках водно-масляной эмульсии, что обеспечивает необходимое условие для конкуренции и адаптивной эволюции «генома». Мутации, накопившиеся в кодирующих и некодирующих участках «генома» за 30 раундов (поколений) самовоспроизводства, повысили эффективность репликации в системе за счет нескольких установленных в ходе исследования механизмов.

Создание искусственной системы, воспроизводящую свойства живой клетки, — одна из амбициозных задач на стыке химии и биологии, которые ставит перед собой современная наука. Эта задача представляет интерес в первую очередь в контексте стремления понять процесс возникновения первых живых клеток из неживой материи. Ведь, как говорил Ричард Фейнман «чего не могу воссоздать, того не понимаю». Во вторую очередь важен потенциал практического использования (а как же!) таких искусственных систем в качестве фабрик по эффективной продукции чего-нибудь полезного человечеству.

«Элементы» уже не раз рассказывали о работах, ведущихся в этом направлении, и об их идейном обосновании: см., например, новости Чтобы спастись от паразитов, первым живым системам достаточно было время от времени разделяться на мелкие капли («Элементы», 19.12.2016) и Создано первое живое существо с синтетическим геномом («Элементы», 25.05.2010), а также статьи Синтетическая биология: конструирование живого и Обыгрывая бога.

Обсуждаемая ниже работа была выполнена в лаборатории Токийского университета, которой руководит Норикадзу Итихаси (Norikazu Ichihashi). Лаборатория специализируется именно на создании искусственных систем, способных к самовоспроизводству и эволюции — то есть систем со свойствами репликатора. На странице лаборатории достаточно подробно и четко изложены разноплановые задачи в контексте этой проблематики, над решением которых сотрудники бьются прямо сейчас.

Но прежде чем говорить о новом результате, необходимо рассказать и о его предыстории.


Репликатор на основе РНК

В 2013 году ученые из лаборатории Норикадзу Итихаси сообщили о создании системы со свойствами репликатора, где роль генома выполняла РНК-молекула (N. Ichihashi et al., 2013. Darwinian evolution in a translation-coupled RNA replication system within a cell-like compartment). Размножение этой молекулы РНК осуществлялось при помощи фермента — РНК-зависимой РНК-полимеразы фага Q? (bacteriophage Qbeta), причем ген, кодирующий этот фермент, был расположен внутри этой самой молекулы РНК.

Всю смесь разбивали в большом объеме минерального масла на мельчайшие капельки, так что получалась эмульсия. В капельках происходила трансляция гена Q? полимеразы и размножение (репликация) молекул РНК. Трансляция осуществлялась при помощи искусственно приготовленного коктейля белков и небелковых молекул (см. врезку), который добавлялся порционно на каждом раунде репликации. Всю смесь периодически тщательно перемешивали, разбавляя новыми порциями коктейля для трансляции. В ходе перемешивания одни капельки разделялись, другие сливались вместе. Эта процедура подменяет собой деление клеток, обеспечивая пространственное отделение друг от друга конкурирующих геномов.

Воспроизводство РНК-генома в описанной системе успешно продолжалось на протяжении многих сотен раундов репликации. Но особенно впечатляющим стало то, что эта система в ряду поколений не просто сохранялась, а совершенствовалась! Авторы показали, что к моменту завершения эксперимента репликация и трансляция РНК генома стала проходить быстрее и эффективнее благодаря закреплению разнообразных адаптивных мутаций в молекуле РНК (N. Ichihashi et al., 2013. Darwinian evolution in a translation-coupled RNA replication system within a cell-like compartment, R. Mizuuchi et al., 2015. Adaptive Evolution of an Artificial RNA Genome to a Reduced Ribosome Environment).

Эксперименты, представленные в статье японских ученых 2013 года, однозначно свидетельствуют о том, что принципиальным условием, требующимся для осуществления конкуренции и адаптивной эволюции такой самореплицирующейся системы является разделение общей реакционной смеси на компартменты. Капельки водного раствора в масле как раз и выполняли роль таких компартментов. Компартментализация служит и средством защиты системы от засилия бессмысленными укороченными паразитическими геномами (об этом же см. новость Чтобы спастись от паразитов, первым живым системам достаточно было время от времени разделяться на мелкие капли, «Элементы», 19.12.2016). Это важный вывод, подтвердивший экспериментально имевшиеся теоретические ожидания. Во всех дальнейших своих работах, о которых пойдет речь ниже, ученые продолжали использовать опробованный в этом исследовании способ обеспечения компартментализации (эмульсию из водяных капель в масле).


Система для трансляции (то есть синтеза белка на матрице РНК) в бесклеточной системе, использованная учеными в обсуждаемой серии работ, была разработана в 2001 году всё в том же Токийском университете (Y. Shimizu et al., 2001. Cell-free translation reconstituted with purified components). Она представляет собой коктейль из минимально необходимого набора ингредиентов, обеспечивающих матричный синтез белка.

Основные составляющие такие: 20 аминокислот, 46 видов тРНК, 20 аминоацил-тРНК-синтетаз (это ферменты, которые присоединяют аминокислоты к определенным тРНК, по одному для каждой аминокислоты), 3 фактора инициации трансляции («факторами» в биохимии называют некоторые регуляторные белки), 3 фактора элонгации трансляции, 3 фактора терминации трансляции, RRF (фактор рециклизации рибосом), а также комплекс из двух ферментов и небольшой молекулы-кофактора для синтеза формилметионин-тРНК (без такой тРНК невозможна инициация трансляции прокариотическими рибосомами), а также собственно рибосомы, выделенные из бактерий E. coli. Поскольку трансляция сопровождается расходованием большого количества АТФ и ГТФ, в систему добавлены собственно нуклеотидтрифосфаты и биохимический комплекс для их рециклизации, включающий в себя креатинфосфат (выступающий как донор фосфатной группы для образования АТФ из АДФ), а также ферменты креатинкиназа и нуклеозиддифосфаткиназа.

Последовательности всех перечисленных выше белков, равно как и последовательности молекул тРНК, опять же, заимствованы у бактерий E. coli. Для протекания ферментативных реакций в смеси также присутствует ацетат магния, глутамат натрия и еще ряд вспомогательных компонентов. В совокупности система включает, помимо некоторых низкомолекулярных соединений (креатинфосфат, нуклеотидтрифосфаты и т. д.), продукты чуть более 140 генов, из которых 46 — это тРНК, 3 — рРНК, а остальные — белки (большинство из которых — белки рибосом).

Реакции с участием этого химического коктейля протекают в водном растворе, к которому, конечно же, должны быть добавлены матричные РНК, несущие информацию об аминокислотной последовательности нужного белка.

Эта разработка, между прочим, теперь широко используется в лабораториях по всему миру как система для быстрого и эффективного получения чистого белка в бесклеточной системе in vitro. Соответствующие наборы реактивов среди прочего представлены в каталогах производителей продукции для биомедицинских исследований (пример).


От РНК-генома к ДНК-геному

Следующей целью стало получение автореплицирующейся системы на основе ДНК. Ведь, как ни крути, все известные нам клеточные формы жизни хранят информацию именно в форме ДНК, а не РНК.

Первые успехи были получены к 2015 году (Y. Sakatani et al., 2015. A transcription and translation-coupled DNA replication system using rolling-circle replication). Ученые сконструировали кольцевую ДНК, в которой присутствовал ген, кодирующий полимеразу фага phi29. Их целью было создать систему, в которой бы осуществлялся полный цикл реализации и репликации наследственной информации. То есть с генома должна была считываться копия РНК (это транскрипция), далее на матрице РНК должен был произойти синтез собственно активного белка — полимеразы фага phi29, — которая, в свою очередь, должна была обеспечить размножение генома, содержащего в себе ген этой полимеразы.

Полимераза фага phi29 заметно отличается от большинства других ДНК-полимераз, которые используются обычно в молекулярной биологии (к примеру бактериальная Taq-полимераза). Она гораздо медленнее, но зато для ее работы не требуется циклов смены температур — копирование ДНК происходит при постоянной температуре 30°C. К тому же она способна реплицировать кольцевые ДНК по механизму «катящегося кольца» (rolling circle replication). Чтобы обеспечить автономную репликацию генома с геном полимеразы фага phi29, исследователи создали систему репликации ДНК, сопряженной с транскрипцией и трансляцией (Transcription and Translation coupled DNA Replication, TTcDR). Для этого описанная выше система бесклеточной трансляции была дополнена транскриптазой бактериофага T7. Также в смесь добавили четыре дезоксинуклеотидтрифосфата для синтеза ДНК и короткие цепочки, которые работают в качестве затравок для полимеразы фага phi29. Кроме того, пришлось добавить пирофосфатазу, так как присутствие пирофосфата снижает эффективность работы ДНК-полимеразы. Пришлось потрудиться и над оптимизацией концентрации компонентов системы трансляции, некоторые из которых также подавляли синтез ДНК.

Продуктом работы репликазы фага phi29 является одноцепочечная ДНК, в которой многократно повторена вся последовательность исходной кольцевой матрицы. В свою очередь, на этой одноцепочечной ДНК с помощью все той же полимеразы фага phi29 может начинаться синтез второй, комплементарной, цепочки — уже в противоположном направлении.

Можно заметить, что в описанной системе мы начинаем с кольцевой ДНК, а на выходе получаем линейные молекулы ДНК. Восстановить геном в исходном виде можно, подключив механизм рекомбинации. В публикации 2018 года авторы сообщают о реализации этой идеи (Y. Sakatani et al., 2018. Self-replication of circular DNA by a self-encoded DNA polymerase through rolling-circle replication and recombination). Собственно, в реплицируемый геном была добавлена специальная последовательность — сайт loxP, который узнается рекомбиназой Cre. Саму рекомбиназу Cre добавляли в смесь в виде очищенного белка вместе с системой TTcDR. Поскольку в линейном продукте репликации полимеразой фага phi29 сайт loxP оказывается многократно повторен, рекомбинация, осуществляемая между двумя такими сайтами при участии рекомбиназы Cre, может приводить к образованию одного или нескольких кольцевых геномов. Они отщепляются от линейной молекулы, которая становится при этом короче.

Первоначально у авторов возникло затруднение: рекомбиназа Cre при добавлении в необходимой для ее работы концентрации очень сильно подавляла работу полимеразы фага phi29. Это происходит из-за того, что два фермента фактически конкурируют между собой за связывание с одним и тем же субстратом — молекулой ДНК. Однако после 53 раундов репликации/рекомбинации в системе с компартментами (в виде водно-масляной эмульсии) эффективность репликации за счет изменений в последовательности реплицируемой ДНК повысилась более чем в 40 раз: закрепились некоторые мутации, изменившие сайт loxP, ген полимеразы фага phi29, а также некоторые участки за пределами этих функциональных областей. Таким образом, эта система оказалась способна не только к репликации, но и к адаптивной эволюции!


От одного гена к двум, а там будет видно…

Ну что же — все работает. Но что, если сделать еще один шаг в сторону повышения автономности системы: не добавлять рекомбиназу в виде очищенного белка, а включить ген этого фермента в сам реплицируемый геном? Ответ на этот вопрос как раз и стал основой для обсуждаемой статьи.

Эксперимент состоял в проведении генома (в форме кольцевой ДНК) через большое количество раундов репликации с использованием системы TTcDR. Размножаемая ДНК содержит два гена, один из которых кодирует репликазу, а второй — рекомбиназу Cre. Перед геном репликазы фага phi29 размещена последовательность промотора для транскриптазы фага T7, а за геном рекомбиназы Cre — сайт loxP.

Манипуляции со всей этой молекулярной машинерией начинаются с подготовки водного раствора, содержащего ДНК и полный набор компонентов системы TTcDR. 10 мкл этого раствора соединяется с 1 мл масла. Полученная двухфазная система тщательно перемешивается при помощи гомогенизатора, в результате чего образуется водно-масляная эмульсия: в масле взвешены миллионы мельчайших капелек водного раствора (диаметром несколько мкм), каждая из которых представляет собой автономный компартмент. Количество ДНК, добавленной в раствор рассчитано так, чтобы 1 молекула кольцевой ДНК приходилась примерно на 100 капель. Далее смесь помещают в термостат с температурой 30°C на 16 часов. За это время в системе параллельно протекают процессы транскрипции, трансляции (в результате чего синтезируются белки — полимераза и рекомбиназа), репликации и рекомбинации. Это завершает первый раунд репродукции.

Далее следует 5-кратное разведение смеси: 200 мкл эмульсии из первого раунда переносят в новую пробирку, туда же добавляют 800 мкл масла и 8 мкл TTcDR в водном растворе. Выбранная кратность разведения примерно соответствует средней скорости размножения кольцевого генома в этой системе (то есть за 16 часов из одного исходного генома образуется в среднем 4–5 новых посредством репликации/рекомбинации). Затем смесь снова перемешивается в гомогенизаторе. При этом, с одной стороны, водяные капли дробятся, в результате чего геномы разделяются по отдельным компартментам, а с другой стороны, некоторые капли сливаются, обеспечивая приток новой порции компонентов системы TTcDR для дальнейшего осуществления транскрипции, трансляции и репликации.

Всего было проведено 60 таких раундов в двух параллельных экспериментах. В каждом раунде ученые определяли концентрацию ДНК — она довольно сильно изменялась (рис. 2). Иногда даже приходилось прибегать к дорепликации молекул ДНК посредством обычной ПЦР, чтобы эксперимент не закончился слишком быстро. Возможная причина таких провалов в количестве нарабатываемых молекул ДНК может крыться в «перенаселении» системы быстроразмножающимися дефектными ДНК, которые фактически являются паразитическими. Это предположение в рамках данного исследования не проверялось (но сам факт регулярного появления таких паразитических дефектных молекул в подобных системах с саморепликацией был продемонстрирован учеными этой исследовательской группы в других работах, см., например T. Furubayashi et al., 2020. Emergence and diversification of a host-parasite RNA ecosystem through Darwinian evolution).


Искусственный геном из двух генов успешно самовоспроизводится и эволюционирует

Рис. 2. Изменение концентрации ДНК в ходе экспериментов. Концентрацию определяли дважды: до начала очередного 16-часового этапа репликации и по его окончании. Поэтому кривые имеют зигзагообразную форму. Для определения концентрации ДНК использовали ПЦР в реальном времени. Треугольные стрелки отмечают моменты, когда из-за чрезмерно низкой концентрации ДНК исследователи, опасаясь преждевременного завершения эксперимента, прибегали к дорепликации ДНК посредством обычной ПЦР. По вертикальной оси — концентрация ДНК в наномоль на 1 литр. Рисунок из обсуждаемой статьи в ACS Synthetic Biology


На 30-м раунде обоих экспериментов ученые отобрали образцы для углубленного анализа: они выделили, клонировали и секвенировали геномы. Целью этих манипуляций было обнаружение признаков эволюции молекул ДНК — логика эксперимента подразумевала, что эволюция должна иметь место. Точность репликации с участием полимеразы фага phi29 не идеальная. Ошибки репликации при ее работе возникают с частотой примерно 6·10–5 на нуклеотид за один раунд. Преимущество при размножении должны получать те геномы, которые накопили «полезные» мутации — то есть те, которые повышают эффективность воспроизводства.

Всего было получено 17 клонированных геномов из первого эксперимента и 18 из второго. Как показало секвенирование, каждый клон содержал множество уникальных мутаций, но некоторые мутации встречались одновременно в двух или более клонах. Именно эти мутации с большей вероятностью являются адаптивными.

Для пяти клонированных геномов из первого эксперимента и для четырех из второго была проведена сравнительная оценка способности к автономной репликации в системе с TTcDR. Анализ провели для тех клонов, которые содержали наибольшее число общих мутаций с другими клонами. Семь из девяти проверенных «эволюционировавших» геномов показали достоверно более высокую эффективность репликации по сравнению с исходным вариантом генома (рис. 3, А). По паре самых активных вариантов из каждого эксперимента (их назвали Evo1, Evo2, Evo 3 и Evo4) использовали в дальнейших функциональных испытаниях, целью которых было выявить конкретные механизмы, обеспечившие повышение эффективности репликации этих версий.


Искусственный геном из двух генов успешно самовоспроизводится и эволюционирует

Искусственный геном из двух генов успешно самовоспроизводится и эволюционирует

Рис. 3. Анализ клонированных версий геномов, полученных на 30-м раунде репликации. А — сравнение эффективности репликации для нескольких версий геномов из первого и второго экспериментов. Видно, что есть лидеры по этому показателю. По два самых успешных варианта генома из каждого эксперимента были отобраны для дополнительного исследования. Из первого эксперимента взяли клоны №8 и №14 (их обозначили Evo1 и Evo2), из второго — клоны №2 и №4 (Evo3 и Evo4, соответственно). Б — мутации, выявленные в вышеуказанных клонах-рекордсменах по эффективности воспроизводства. Вертикальными черточками отмечены сайты однонуклеотидных замен, подпись над каждой черточкой дает представление о наличии или отсутствии замены аминокислоты в соответствующей позиции белка (желтая стрелка — ген репликазы, зеленая — ген рекомбиназы). Красными стрелками показаны инсерции копий фрагмента промотора, а направление этих стрелок отражает направленность дуплицированного фрагмента по отношению к промотору. Рисунок из обсуждаемой статьи в ACS Synthetic Biology


На рис. 3, Б отражены конкретные мутации, присутствующие в этих «выдающихся» версиях генома. Можно видеть, что в области белок-кодирующих генов наблюдались нуклеотидные замены, часть из которых меняла, а часть не меняла аминокислотную последовательность кодируемых белков. В области перед промотором, взятым от фага T7, во всех четырех клонах присутствовали инсерции, которые, в сущности, представляли собой дупликацию некоторого фрагмента этого же промотора. Авторы предположили, что эти дупликации (по крайней мере при прямой их ориентации, как в клонах Evo1, Evo2 и Evo 3) могли повысить эффективность транскрипции, приводя в итоге к образованию большего количества ДНК полимеразы фага phi29 в единицу времени и, как следствие, — к ускорению репликации.

Далее авторы провели несколько серий опытов, в каждой из которых проверялся один из возможных механизмов повышения эффективности репликации четырьмя сверхэффективными репликаторами. Ниже представлены схемы и результаты этих исследований. Каждый из графиков на рис. 4–7 демонстрирует результат трех повторных экспериментов (усредненные значения по трем измерениям).

Первая серия опытов (рис. 4) проверяла влияние мутаций на свойства репликазы фага phi29. В верхней части рисунка показана схема опыта, в нижней — собственно, результаты. Об эффективности полимеразы судили по тому, как много копий ДНК синтезировалось за один 16-часовой раунд репликации. Версия репликазы из генома Evo1 давала такой же результат, что и исходная версия (что логично, ведь в этом гене не появилось каких-либо мутаций, см. рис. 3). У версии из генома Evo2 эффективность оказалась даже ниже, чем у исходной версии белка. А вот версии из геномов Evo3 и Evo4 показали более высокую эффективность, чем исходный белок (хотя только для гена из Evo3 отличие оказалось достоверным).


Искусственный геном из двух генов успешно самовоспроизводится и эволюционирует

Рис. 4. Схема и результат исследования полимеразной активности различных версий полимеразы фага phi29. В качестве субстрата реакции полимеризации использовали обычную плазмидную ДНК pUC19. Измерения проводили после 16-часовой инкубации при 30°C в системе с TTcDR. Начальная концентрация плазмидной ДНК составляла 0,5 нМ. Для количественной оценки новообразованных копий ДНК использовали ПЦР в реальном времени. Рисунок из обсуждаемой статьи в ACS Synthetic Biology


Вторая серия опытов была нацелена на проверку предположения о том, что благодаря некоторым мутациям молекула ДНК может становиться либо более, либо менее удачным субстратом в качестве матрицы для репликации полимеразой фага phi29 (рис. 5). Ведь свою роль могут играть, к примеру, вторичные структуры, которые потенциально могут возникать внутри ДНК в ходе репликации и тормозить процесс. Достоверно лучшими субстратами в сравнении с исходной версией генома оказались варианты Evo1 и Evo2. Судя по графику, это отличие имеется и для Evo3, хотя оно не достоверно. Особенно заметна разница для Evo1: репликация этого варианта генома шла в 5 раз быстрее, чем исходного.


Искусственный геном из двух генов успешно самовоспроизводится и эволюционирует

Рис. 5. Исследование способности вариантов геномной ДНК эффективно реплицироваться при помощи полимеразы фага phi29. Измерения проводили после 16-часовой инкубации при 30°C субстратных ДНК с ферментом. Начальная концентрация субстратной ДНК составляла 0,05 нМ. Для количественной оценки новообразованных копий ДНК использовали ПЦР в реальном времени. Рисунок из обсуждаемой статьи в ACS Synthetic Biology


Третья серия опытов позволила оценить изменения в свойствах рекомбиназы Cre (рис. 6). Резко сниженной оказалась только рекомбиназная активность белка, кодируемого вариантом Evo3, остальные в своей активности не отличались заметно от исходной версии.


Искусственный геном из двух генов успешно самовоспроизводится и эволюционирует

Рис. 6. Исследование функциональной активности рекомбиназы Cre (то есть эффективности рекомбинации с участием данного фермента). Концентрация добавленных субстратных молекул ДНК составляла 10 нМ. Измерения проводили после 16-часовой инкубации при 30°C субстратов с ферментом. Для количественной оценки образования продуктов рекомбинации использовали ПЦР в реальном времени. Рисунок из обсуждаемой статьи в ACS Synthetic Biology


Целью четвертой серии экспериментов было оценить влияние мутаций в гене рекомбиназы на способность белка Cre подавлять эффективность репликации посредством phi29 полимеразы (рис. 7). Все 4 версии белка Cre из разных вариантов генома показали менее выраженный подавляющий эффект в отношении репликации матрицы (роль матрицы в этом эксперименте выполняла обычная кольцевая плазмида pUC19, c добавленным loxP сайтом) в сравнении с исходной версией. Но в любом случае репликация шла еще более эффективно, когда в системе вовсе не было рекомбиназы.


Искусственный геном из двух генов успешно самовоспроизводится и эволюционирует

Рис. 7. Исследование способности рекомбиназы Cre подавлять репликацию. В качестве субстрата реакции полимеризации использовали обычную плазмидную ДНК pUC19 с сайтом loxP. Измерения проводили после 16-часовой инкубации при 30°C в системе с TTcDR. Начальная концентрация плазмидной ДНК составляла 0,05 нМ. Для количественной оценки новообразованных копий ДНК использовали ПЦР в реальном времени. Рисунок из обсуждаемой статьи в ACS Synthetic Biology


К сожалению, до экспериментальной оценки влияния дупликаций в промоторной области геномов дело почему-то не дошло. Здесь авторы предлагают только свои теоретические предположения.

Зато ученые решили проверить еще одну идею в качестве задела на будущее. Потенциально ведь можно пытаться еще наращивать степень автономности данной системы, добавляя в самореплицирующийся геном все больше необходимых генов и исключая соответствующие готовые белковые или РНКовые компоненты смеси TTcDR. Но будет ли система при таком наращивании генома все еще сохранять способность к самовоспроизводству?

Чтобы проверить эту идею, в каждый вариант генома был добавлен фрагмент длиной около 2500 пар оснований, внутри которого присутствовал ген, кодирующий белок bla (этот дополнительный фрагмент встраивали в промежутке между сайтом loxP и промотором фага T7). Исходная версия генома и Evo4 оказались неспособны реплицироваться в таком расширенном виде, между тем как эффективность репликации для клонов Evo1, Evo2, Evo3 после добавления лишнего фрагмента осталась примерно на том же уровне, что и без него (рис. 8).


Искусственный геном из двух генов успешно самовоспроизводится и эволюционирует
Рис. 8.[/b] Эффективность воспроизводства четырех вариантов геномов с одним встроенным «лишним» геном" border=0 width="703">

Рис. 8. Эффективность воспроизводства четырех вариантов геномов с одним встроенным «лишним» геном (bla). Измерения проводили после 16-часовой инкубации при 30°C в системе с TTcDR. Для количественной оценки новообразованных копий ДНК использовали ПЦР в реальном времени. Рисунок из обсуждаемой статьи в ACS Synthetic Biology


Конечно же, эта система еще сильно не дотягивает до того, чтобы представлять собой действительно некоторую форму «жизни». Помимо того, что для ее автономной работы не хватает большого количества необходимых белков, которые синтезировались бы внутри системы, здесь нет и намека на способность самостоятельно расти и делиться (формировать новые компартменты), осуществлять полноценный метаболизм (подразумевающий, в частности, активное введение определенных веществ внутрь клеток-компартментов и выведение других во внешнюю среду против градиента концентрации) и саморегуляцию. Но каждое из обозначенных выше свойств живого ученые постепенно учатся воссоздавать в искусственных биохимических системах, — эти работы ведутся многими лабораториями в разных странах. И все более реалистичным представляется, в свете последних достижений, сценарий появления в один прекрасный день новой «жизни из пробирки», эволюционно не связанной с LUCA — общим клеточным предком всех нынешних обитателей Земли.

Источник: Hiroki Okauchi, Norikazu Ichihashi. Continuous Cell-Free Replication and Evolution of Artificial Genomic DNA in a Compartmentalized Gene Expression System // ACS Synthetic Biology. 2021. DOI: 10.1021/acssynbio.1c00430.

Татьяна Романовская


13 декабрь 2021 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Одна из человеческих полимераз способна проводить обратную транскрипцию

Американские микробиологи выяснили, что фермент полимераза тета, играющий важную роль в репарации ДНК, может строить ДНК на матрице РНК — то есть проводить обратную транскрипцию. Ранее эта

Создан прототип клетки, способный синтезировать компоненты собственной мембраны

Одна из важнейших задач биотехнологий — разработать полноценные искусственные аналоги клеток, содержащие минимально возможный набор генов. Дополнив геном таких клеток необходимыми генами, их можно

Репликация ДНК и транскрипция могут иметь общее происхождение

Происхождение механизма репликации ДНК окутано тайной. Дело в том, что ферменты, обеспечивающие удвоение цепочек ДНК — ДНК-полимеразы — у организмов из трех доменов жизни неродственны друг другу.

Созданы рибозимы, синтезирующие зеркальные копии самих себя

Американские ученые еще на шаг приблизились к созданию саморазмножающихся комплексов молекул РНК, подобных тем, с которых могла начаться земная жизнь. Методом искусственной эволюции получены

Рибосома могла быть мостиком между доклеточной и клеточной жизнью

Роберт и Мередит Рут-Бернстейны применили технологии биоинформатики не к обычным молекулам РНК и ДНК, а к последовательностям рибосомальных РНК. Вопреки предположению, что эти молекулы бессмысленны,

Тепловой поток через открытую пору способствует непрерывной репликации нуклеиновых кислот и отбору более длинных цепочек

С помощью имитации куска пористой породы из сети крошечных стеклянных капиллярных трубок, которые нагревали с одной стороны, группа немецких ученых создала условия, в которых может быть достигнута
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
«Фантастические твари»: животные, которые нас удивили в 2021 годуЧто происходит: квантовые компьютерыПочему в Арктике начал светиться снегСтранная наука – 20219 привычек, которые помогут дожить до 100 летОфринительные паукиИнформационная автократия – новый тренд мировой политикиУченые нашли новые данные о появлении жизни на Земле