Първата изкуствено създадена бактериална клетка

Това което не мога да създам, не мога да го разбера
Ричард Файман

Физическата основа на живота е клетката. Всички организми като растения, животни, хора са или клетки или съставени от клетки. Използването на еднотипни тухлички за изграждането на живота е голям късмет за хората на познанието, защото ситуацията би могла да бъде много по-сложна. Съвременните строители например използват разнообразни материали като бетон, стомана, пластмаса, стъкло и др. за да изградят една сграда. За щастие създателя на живота не се е поблазнил от такава възможност и е изградил живите организми само от един материал – клетката. Което ни навежда на мисълта, че ако разберем какво представлява и как функционира клетката, ще разберем и живота.

Независимо от структурното „улеснение” напредъка в изучаването на клетката е нищожен. Трудностите са донякъде технологични, защото мащаба на изследваните обекти е невъобразимо малък и няма апаратура с която можем да видим всички елементи. Но това се преодолими прегради, защото човешката мисъл има способността да види там където окото и апаратурата не могат. Пример за това е откриването на структурата на ДНК от Джеймс Уотсън и Франсис Крик през 1953 г. По това време технологично не е било възможно да се види тази структура.
Най-сериозната преграда за разбирането на живата природа се намира в нашия разум. Колкото и да е бърза и всеобхватна човешката мисъл, тя сакаш стига своя предел, когато се опитва да схване в пълнота физическата структура на живота. Броят на функционалните елементи само в една клетка може да достигне няколко милиарда. Човекът е изграден от около 100 трилиона такива клетки, организирани като органи, мускули, нерви, кожа, хрущяли и кости. Всичко това е опаковано в едно цяло, което ние наричаме живо същество. Предполага се, че около 100 милиона е видовото разнообразие на всички живи същества на Земята. Всички те са свързани в сложни взаимоотношения, като голяма част от организмите живеят вътре в други организми. Да се схване как цялата тази система функционира на микро и макро ниво е непосилно за класическия начин на разсъждение. Според мен, за да разберем живота в пълнота е необходимо не толкова развитие на технологиите, колкото усъвършенстване на начина ни на мислене. Преди това да се случи, можем само да натрупваме факти и да разработваме опростени модели, частично обясняващи някои процеси.

В един такъв опростен модел можем да разгледаме клетката като миниатюрна фабрика за производство на всевъзможни вещества - от белтъци до цели организми. Инструкциите кога и какво трябва да се произведе се намират в ядрото на клетката. Това се хромозомите, които се състоят от носещ белтък и дълги ДНК молекули нагънати и опаковани по определен начин. В ДНК молекулата генетичната информация е представена чрез четири елемента: аденин, тимин, гуанин, цитозин.

Четирите строителни елемента наречени бази се обозначават съкратено като А, Т, Г и Ц и имат свойството всяка да „се чифтосва“ само с една от останалите три бази. Човешката ДНК е изградена от около 3 милиарда такива бази. Всеки един участък на една такава молекула, който съдържа информация кога и как да се произведе един белтък се нарича ген. В действителност ситуацията е по-сложна, като понякога информацията е дублирана или комбинирана в различни гени.

На 20 май 2010 г. института на Крег Вентер съобщи, че са създали изкуствена ДНК молекула, която са имплантирали в бактериална клетка. Така беше получена първата изкуствена бактериална клетка, способна да се самовъзпроизвежда. Разбира се, не всичко в тази клетка е изкуствено, но все пак, това е огромно постижение за науката и вероятно след години ще бъде напълно оценено истинското му значение за човечеството. Аз бих го сравнил с изстрелването на първия изкуствен спътник на Земята.
Преди да се спрем на това забележително постижение на учените-генетици искам да преместя фокуса върху Крег Вентер - инициатор и ръководител на самия проект.
Името на Крег Вентер нашумя преди повече от 10 години, когато се реализираше проекта „Човешки геном”. Повече от 200 учени в 16 лаборатории пръснати на 5 континента имаха за задача в срок от 15 години да определят точната последователност на елементите на човешката ДНК (секвениране на ДНК). Предполагало се е, че въпросните елементи са около 3 милиарда. Такава е и сумата в долари, която американския Конгрес одобрява за да стартира проекта.
Франсис Колинс, който е един от ръководителите на проекта казва: „Това е потенциално най-важното организирано научно усилие, което човешкия вид някога е предприемал.”
Въпреки ентусиазма на учените, за 8 години, от 1990 г., когато стартира проекта до 1998 г. е разчетена само една трета от човешкия геном. В този момент на сцената се появява Крег Вентер и хвърля ръкавицата. На 10 май 1998 г. Вентер обявява, че без да ползва и един долар от парите на данъкоплатците ще разчете човешката ДНК преди учените от проекта „Човешки геном”. До това безпрецедентно по дързост предизвикателство се стига, след като Вентер безуспешно се опитва да убеди ръководителите на проекта „Човешки геном” да променят и ускорят метода на работа като използват специализирани компютри. След отказа, Вентер създава частната компания "Селера Джиномикс" и стартира надпреварата.
Грандиозният проект се превръща в грандиозно състезание - 300 специализирани машини на "Селера Джиномикс" срещу 300 водещи учени от проекта „Човешки геном”. Скоро става ясно, че Вентър има големи шансове да спечели надпреварата. Заплашено е не само съществуването на обществения проект, но и възможността информацията за човешкия геном да се използва безплатно. В случай, че Вентер победи той би могъл да патентова информацията и да я продава, което от някой се определя като посегателство върху човечеството.
За да бъде спасен проекта „Човешки геном” американския Конгрес отпуска още 80 милиона долара и са закупени същите разчитащи машини, които използва и "Селера Джиномикс". Бил Клинтън, по това време президент на САЩ, е принуден да се намеси в спора и обявява, че човешкия геном принадлежи на човешката раса и не може да бъде патентован като цяло. От друга страна самата надпревара в случая ускорява неимоверно научния прогрес и ако има губещ състезател това ще е несправедливо. Белият дом намира посредник, който да прекрати войната между враждуващите лагери. Стига се до споразумение резултатите от този мегапроект да бъдат обявени едновременно и от двете спорещи страни. Това става на 26 юни 2000 г. в Белия дом. В присъсвието на Бил Клинтън, Франсис Колинс и Крег Вентер официално свалят оръжията и обявяват края на състезанието за рачитането на човешкия геном. В действителност цялата работа все още не е завършена и са представени само приблизителни данни. Нужни са още 4 години за да се определи пълния код на човека. Някои от по-интересните резултати са посочени по-долу.

1. Човешкият геном съдържа около 30 000 - 32 000 гена, само 1,5 пъти повече от тези на кръглия червей.
2. 24% от генома е общ с тези на други еукариотни организми. Допълнително е наблюдавано 22% подобие с другите гръбначни животни.
3. Само 1% от последователностите са “чисто човешки”, т.е. не са открити при други организми. Дори и този 1% обаче е условен, защото все още геномите на най-близко родствените организми като например шимпанзето не са секвенирани.
4. Изненадващо, в човешкия геном е открита 1% ДНК, която се съдържа само при прокариотите и не е идентифицирана в никои други еукариоти. Стотици човешки гени вероятно са произлезли чрез хоризонтален трансфер от бактериите в гръбначните.
5. 44% от генома са повторени последователности. При другите организми повторените последователности са много по-малко. Увеличаването броя на повторените последователности предполага еволюционно презастраховане от грешки.
6. Размерът на целия геном беше определен на 3.2 Гб.
7. Скоростта на мутации при мъжете е около два пъти по-висока, отколкото при жените, показващо по-голямо натрупване на мутации в мъжете.
8. Идентифицирани са повече от 1.4 милиона присъствия на единичен нуклеотиден полиморфизъм. Това определя уникалността в геномната секвенция на всеки индивид.

Крег Вентер има и друго голямо постижение. През 1995 г. в неговия институт бе осъществено първото определяна на точната последователност на отделните съставки на ДНК на жив организъм – една бактерия. С това започват работата по създаването на бактериална клетка, която напълно да се управлява от изкуствен геном. За целта използват микобактерия гениталис, понеже тя притежава само 485 гена. Успяват да отстранят повече от 100 несъществени гена от нея с идеята да създадат самовъзпроизвеждащ се организъм с минимален брой гени. В случай, че успеят би могло да се приеме, че това са основните гени на живота.
Необходимо било да преминат през следните етапи:
1. Да прочетат цялата последователност на ДНК на бактерията и да я въведат в цифров вид в компютър.
2. След като вече е в компютъра, да се моделира тази последователност, като се отстранят несъществените според учените елементи и да се въведат нови.
3. Следващия етап е от компютъра да се изпрати информацията към специална машина, която от четири бутилки с химикали да създаде частите на хромозомата. Поради това, че цялата молекула на ДНК е прекалено дълга не е било възможно да се синтезира цяла.
4. Да съберат частите на изкуствената хромозома поставяйки ги в естествената среда на дрожди (едноклетъчни гъби), където да се прекомбинират и от там да извлекат изкуствената хромозома в цялостен вид.
5. Да имплантират така получената ДНК в бактерия приемник.
6. Прочитайки новите инструкции, бактерията приемник да започне да се възпроизвежда като нов вид бактерия, притежаваща хромозома създадена от компютър.

Екипът от учени преминава всички тези етапи за 15 години. Провеждат голямо количество неуспешни опити и се сблъскват с много трудности.
Поради дългото време на растеж на микобактерия гениталис (1-2 месеца) не е възможно да проведат достатъчно много опити. Оказва се и, че бактерията притежава на повърхността си ензим, който с радост изяжда синтезираната хромозома, когато се опитват да я имплантират в клетката. Учените са принудени да се откажат от микобактерия гениталис и да използват за образец на ДНК друга бактерия - микобактерия микоиди, която има много по-дълъг геном, но расте за 2 дена. За клетка приемник използвали подобната бактерия Mycoplasma capricolum.
Поради голямата дължина на ДНК молекулата, тя била разбита на 1078 парчета всяко съдържащо 1080 базови двойки. Отново използвайки дрожди с няколко етапа на окрупняване обединили всички парчета и така синтезираната хромозома била инжектирана в клетката приемник. Обаче дълго време не успявали да получат самовъпроизвеждаща се клекта, поради грешка само в една базова двойка. Това ги върнало три месеца назад. След като отстранили грешката и повторили всички операции се появила първата бактерия със изкуствен геном Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0.
За да бъде различима от естествената бактерия, учените разработили специален код, с който можели да надпишат самата хромозома. По такъв начин върху синтетичната ДНК поставили имената на всичките 46 учени участващи в проекта, както и адреса на web страницата, специално създадена за новата бактерия. По такъв начин, ако някой декодира кода на синтетичната хромозома, би могъл да изпрати писмо на този адрес. Накрая добавят и три цитата:

„Да живеем, да грешим, да не сполучваме, да триумфираме и да пресъздадем живот от живота” – Джеймс Джойс

„Вижте нещата не такива, каквито са, а така както биха могли да бъдат” –
от книгата "Американският Прометей: Триумфът и трагедията на Д. Робърт Опенхаймер"

„Това което не мога да създам, не мога да го разбера” – Ричард Файман

С успеха на това начинание може да се каже, че човечеството е преодоляло първата бариера за създаването на нещо живо.
Д-р Вентер стана един от най-често цитираните учени и отново работи по своята цел да създаде организъм с минимален брой гени, като се надява с това да хвърли светлина относно тайната на живота. Най-вероятно в скоро време ще сме свидетели на нови впечатляващи научни постижения.

Ваньо Янков

Използвани източници:
www.jcvi.org
http://www.ted.com/talks/lang/bul/craig_venter_unveils_synthetic_life.html
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/329/5987/52
Николай Николов. Клетка и Клетъчно деление. Изд. Про

Юбилей

Нашата мила, дългогодишна участничка в клуб Мисъл арх. Магда Дойчева навърши 50 години. Пожелаваме й много здраве и успешни реализации на всички творчески и други идеи!
На октомврийската сбирка на клуба трогателен поздрав към нея отправи Величко Братанов:

На Магде Д.
Постигла ти вершин архитектури
и заодно большой, большой культ
шутка ли сказатъ
за два по двадцатъ пятъ!

Придумай алгорифм такой,
чтоб дольше, больше сохранитъ
здоровье, красоту, талант
двух милих Магд по двадцатъ пятъ
Величко Б.