Задача №16 «Минимальный геном»

Разработка минимального набора генов, с которым может существовать клетка, имеет огромное значение для науки. В ДНК такой клетки будут присутствовать только те гены, которые необходимы для поддержания жизненных функций, а гены, отвечающие за приспособление к каким-либо конкретным условиям, будут удалены из ДНК. Это позволит клетке синтезировать необходимые человеку вещества с минимальными затратами и максимальной выгодой, но при этом такая клетка, случайно попав в природу, естественно погибнет, не вызвав никаких нарушений существующих сообществ.

Такую клетку, возможно, удастся создать в лабораторных условиях. Одной из основных проблем её создания является проблема отбора генов, необходимых для существования в идеальных условиях.

Американский учёный Крейг Вентер с командой коллег в 90-х гг. прошлого века приступили к решению задачи по созданию минимальной клетки. Объектом для их исследования стала бактерия Mycoplasma genitalium, обладающая одним из наименьших геномов, известных науке. Учёные выяснили, что из 517 генов для жизни бактерии в почти идеальных условиях необходимы около трёхсот.

Для определения этого набора генов можно использовать метод «нокаута генов». Он заключается в выведении чистых линий организмов с известным мутантным геном. Можно выделить несколько стадий.

1.      Получение участка ДНК, содержащего исследуемый ген, ближайшее его окружение.

2.      Из полученного участка ДНК исследуемый ген полностью или частично удаляют (делеция), в результате чего получается фрагмент ДНК, который содержит фланкирующие ген последовательности.

3.      Этот фрагмент ДНК вводят в клетку исследуемого организма, где в результате гомологической рекомбинации он встроится в ДНК вместо интересующего нас гена. Таким образом, в геноме возникнет делеция – клетка лишиться этого гена.

4.      Далее необходимо произвести отбор клеток, в которых такая мутация произошла в нужном нам месте.

После этого полученные клетки исследуются в благоприятных условиях. Если они смогут жить и размножаться, значит, изучаемый ген не является необходимым, и в «минимальный геном» не войдёт. А если клетка погибает, ген является необходимым в минимальном наборе. И такие операции проводятся с каждым геном.

Затем нужно перенести ДНК с минимальным набором генов, необходимых для жизнедеятельности организмов в идеальных условиях, в клетку бактерии того же вида. Но, прежде всего, нужно получить эту ДНК. Это можно сделать следующим образом.

1.      Выделение в чистом виде иРНК, кодирующую необходимый нам ген.

2.      С помощью фермента ревертазы (РНК-зависимой ДНК-полимеразы) получение с этой иРНК молекулы кДНК.

3.      Амплификация полученной таким образом кДНК методом ПЦР. (в качестве праймеров используются последовательности, находящиеся на концах кДНК исследуемого гена, а 5’-концевой праймер содержит так же последовательность промотора, предшествующего данному гену).

4.      Последовательное сшивание между собой полученных таким образом участков ДНК с помощью лигаз.

По-нашему предположению в «минимальный геном» должны попасть следующие гены.

I. Кодирующие белки. В эту группу попадут гены:

1.    Обслуживание генетического аппарата и участвующие в процессах:

·                  Репликация ДНК;

·                  Транскрипции;

·                  Трансляция иРНК;

·                  Созревания и фолдинг белков;

·                  Репарации генетических повреждений.

2.    Отвечающие за строение клетки:

·                  Белки цитоскелета (в случае эукариот – микротрубочки, микрофиламенты, промежуточные филаменты);

·                  Белки клеточной стенки и мембраны (трансмембранные, заякоривающиеся, периферические);

·                  Белки, участвующие в работе органоидов.

3.    Белки-ферменты, необходимые для основных биохимических путей энергообмена.

II. Кодирующие РНК. Большинство генов, кодирующих РНК необходимы клетке, так как рибонуклеиновые кислоты принимают непосредственное участие в стадиях реализации генетической информации: рРНК входит в состав рибосомы, а тРНК транспортирует аминокислоты в рибосому.

По-нашему предположению в «минимальный геном» не должны попасть гены, кодирующие синтез:

1)     ферментов для переваривания различной пищи;

2)     белков, отвечающих за защиту от вирусов, других бактерий;

3)     белков, отвечающих за активное передвижение;

4)     белков, отвечающих за спорообразование;

5)     белков, отвечающих за внешние признаки (например, за флуоресценцию);

6)     белков, являющихся стрессовыми факторами (например, белки азотистого голодания);

7)     «сломанных» генов и псевдогенов, с которых обычно не идёт транскрипция.