Крейг вентер что открыл
Крейг Вентер: Создание искусственной клетки
В исследованиях, посвящённых созданию искусственных форм жизни для производства лекарственных препаратов, вакцин и топлива, произошёл важный прорыв. Крейг Вентер, американский генетик, биолог и бизнесмен, заявил о создании им искусственной клетки. Вентер прославился своими успехами в расшифровке генома человека, предложив затем эту услугу всем желающим за деньги. В научном мире учёный слывет авантюристом, но его открытие вызвало благоприятные и даже восторженные отзывы генетиков всего мира. Сейчас Вентер — признанный лидер самых радикальных и перспективных направлений современной генетики.
Лекарства: химия, органика, генетика
Подход Крейга Вентера к созданию синтетической живой клетки заключается в том, чтобы с нуля построить новый организм с заданными свойствами. Понятно, что технически это очень сложное дело. Вентер с коллегами работает над переносом генетического материала из бактерий одного вида в другой, чтобы добиться более быстрого их роста и получения нужных веществ в больших количествах. Но, кстати, пока ещё не совсем ясно, чем с практической точки зрения этот подход лучше, чем уже давно разработанные и с успехом применяемые методы генной инженерии штаммов бактерий.
Как известно, лекарственные препараты можно получить несколькими способами. Первый — это далеко не всеми любимый химический метод. О нём многие наслышаны. Второй — выделение действующих веществ из растений и органов животных. Что же касается третьего, то тут надо произвести небольшой экскурс в основы биологической науки.
Микробы — на службу человечеству
Бактерии, которые обитают в окружающем мире и в нас самих, живут по своим законам. То есть создают в собственных клетках те вещества, которые необходимы для их, бактерий, существования. Но человек может заставить микроорганизмы синтезировать нужные ему молекулы, причём в огромных количествах. Конечно, это не так просто. Многие поколения учёных пытались поставить микробы на службу человечеству. И в настоящее время в этом деле достигнуты определённые успехи. В основном благодаря генной инженерии.
Наследственный материал любого живого организма на Земле состоит из генов, а они в свою очередь из нуклеотидов. Современная наука может достаточно легко манипулировать с генами бактерий. Например, ученые группы Фаррена Айзекса из Гарвардской медицинской школы немного меняют нуклеотиды в генах или группах генов для улучшения старых или появления совершенно новых свойств бактерий. Этот метод, по мнению авторов, найдёт широкое применение в химической промышленности, фармацевтике и других областях, где требуется крупномасштабный синтез сложных биоорганических соединений.
Полезный ликопин
В недалёком прошлом, да и сейчас, в некоторых лабораториях учёные используют стратегию последовательного изменения генов. Это означает, что в наследственный материал нужной бактерии вводится одна конкретная мутация. Затем проверяется, приобрела ли клетка требуемые свойства. Если что-то получилось, то процесс повторяется. А если нет, то, как говорится, начинай сначала. Такой подход очень трудоемок и занимает длительное время. Более того, изменение в одном гене может повлиять на функционирование другого, а мутация в третьем — и вовсе свести на нет все предыдущие успехи. Все сложности устройства наследственного материала живых организмов пока не позволяют учёным выработать некую общую теорию генной инженерии, и потому каждую конкретную биотехнологическую задачу приходится решать дорогостоящим методом проб и ошибок. Группа Фаррена Айзекса сделала этот подход необычайно продуктивным.
Самая хорошо изученная и часто используемая в науке и промышленности бактерия — Escherichia coli, или кишечная палочка. Природные штаммы этой бактерии производят вещество ликопин, но в весьма небольших количествах.
Он обладает антиоксидантными свойствами и родственен химическим веществам, применяемым в лечении рака. Поэтому было бы очень полезно заставить бактерии синтезировать ликопин как основной белок, то есть в большом количестве. Известно, что за синтез этого полезного вещества отвечают 24 различных гена из 4500 генов Escherichia coli. И вот, вместо того чтобы проводить по одной замене в генах, как делается обычно, учёные решили вводить в гены сразу большое количество мутаций.
Нужны «успешные» клетки!
Это внедрение происходит случайным образом, и в результате некоторые бактерии перестают синтезировать ликопин, а некоторые получают возможность нарабатывать его гораздо эффективнее. Остаётся только отобрать наиболее «успешные» клетки, что делается автоматически с помощью прибора, фиксирующего интенсивность окраски штаммов, так как ликопин имеет красный цвет. После первого этапа прибор отбирает штаммы, эффективнее всего синтезирующие ликопин (с наиболее яркой окраской), и цикл внедрения в бактерии новых случайных мутаций производится вновь.
В итоге за три дня непрерывной работы установки по внедрению случайных мутаций в Escherichia coli исследователи сумели заставить бактерии производить ликопин в 500 раз эффективнее, чем природные штаммы.
Учёные ускорили эволюцию бактерий за счёт искусственно введённых мутаций и тестирования 15 миллиардов генетических вариантов Escherichia coli. С помощью последовательного процесса генного модифицирования эта работа растянулась бы на годы.
— Я считаю, что подобный подход будет очень широко применяться в будущем и в таких вариантах, которые мы сейчас даже и не можем предположить, — говорит Фаррен Айзеке.
Семейные скандалы и мечта воров
Живые светильники
Журнал: Тайны 20-го века №7, февраль 2012 год
Рубрика: В лабораториях
Автор: перевела с английского Ирина Бахланова
Создатель новой жизни: Дж. Крейг Вентер
В 1992 году Вентер основал Институт исследований генома (TIGR), а три года спустя одна из лабораторий этого института расшифровала первый геном микроорганизма — бактерии Haemophilus influenzae. Вентер усовершенствовал использованный при этом метод секвенирования ДНК, известный как «выстрел из дробовика». Целый геном разрывается на короткие, по несколько тысяч нуклеотидов, участки, которые анализируются по одному, а потом с помощью компьютеров расшифрованные «обрывки текста» собираются в единое целое по совпадающим последовательностям нуклеотидов на концах. Это и привело к наиболее известному достижению Вентера — расшифровке генома человека. В мае этого года он снова изумил мир, создав первую искусственную клетку.
Репортеру Popular Mechanics удалось отловить Вентера на борту его парусной яхты Sorcerer II (sorcerer означает волшебник, кудесник или чародей, так что название вполне говорящее) на стоянке в итальянском порту Остия. Вентер собирался примкнуть к месячной экспедиции Global Ocean Sampling Expedition для перехода по Средиземному морю. В отличие от другого знаменитого ученого — Чарльза Дарвина, который плавал по морям, собирая образцы различных видов живой природы, Вентер охотится на невидимую дичь — на микробов, которые потом будут отправлены в Институт Дж.К.Вентера в Роквилл, штат Мэриленд, для расшифровки их ДНК.
2000 год — Президент Билл Клинтон провозглашает начало «гонки за геномом» – состязания по расшифровке человеческого генома. Участники – Вентер и его конкурент Фрэнсис Коллинз, который пользовался государственным финансированием. Ничуть не обескураженный, Вентер объявил это стартом гонки к медицине будущего.
2001 год — Основанный Вентером Институт геномных исследований (Institute for Genomic Research) помогает в расшифровке генома спор сибирской язвы, рассылавшихся по почте (в результате этого теракта погибло пять человек). Полученные в Институте результаты помогли ФБР выйти на след злоумышленников.
2004 год — Принадлежащий Вентеру 30-метровый парусник Sorcerer II отправляется из Галифакса (Новая Шотландия, Канада) в двухлетнее кругосветное плавание. Его цель — поиск новых видов микроорганизмов для анализа их ДНК.
2005 год — Вентер основывает коммерческое предприятие Synthetic Genomics Inc. (SGI) для работы над такими глобальными проблемами, как зависимость от ископаемых видов горючего, проблемы окружающей среды и эпидемии.
2007 год — Вентер устанавливает еще один рекорд, расшифровав собственный диплоидный геном (ДНК обеих хромосомных пар — по одной от каждого родителя). Этот код, состоящий из 6 миллиардов элементов, продемонстрировал генетическую предопределенность таких признаков, как голубые глаза, асоциальное поведение и сердечные заболевания.
2008 год — Использовав всего лишь компьютерную программу и четыре флакона реактивов, в лаборатории Вентера создают самую крупную из рукотворных структур ДНК. Для этого было синтезировано и собрано в цепочку 582970 пар оснований, повторяющих последовательность нуклеотидов в геноме бактерии Mycoplasma genitalium.
2009 год — Объявлено, что Exxon Mobil выделяет SGI 300 миллионов долларов для создания методами генной инженерии одноклеточных водорослей, которые будут выдавать биотопливо из солнечного света и углекислого газа.
2010 год — На базе синтетического генома в институте Вентера создают первую в мире рукотворную одноклеточную бактерию. Mycoplasma micoides JCVI-syn1.0 становится первым живым организмом, в чьих хромосомах закодирован адрес интернет-сайта.
Микроб, не помнящий родства
20 мая Барак Обама заказал высокой научной комиссии специальный отчет о состоянии дел в синтетической биологии — решив, вероятно, что настало время президенту США разобраться в столь важном вопросе. Среди участников комиссии будет и Крейг Вентер — человек, благодаря которому возможность создания искусственной жизни не только заинтересовала широкую публику, но и чуть приблизилась к потенциальному техническому воплощению. Не будь Вентера, громкое исследование не увидело бы свет, а увидев, прошло бы сравнительно незамеченным, притом что в работе, наделавшей столько шума, — «Создание бактериальной клетки, контролируемой химически синтезированным геномом» — пионер геномной революции числится 24-м автором из 24.
Благодаря энтузиазму журналистов достижение команды ученых из Института Крейга Вентера (JCVI) приравняли к созданию искусственной жизни. Осторожный обычно журнал Economist озаглавил свой очередной выпуск «И Человек создал жизнь» (ниже помещалось изображение Адама из Сикстинской капеллы, засевающего небеса бактериальными клетками). Ученые, опрошенные по случаю журналом Nature, были куда осторожнее. Профессор Джим Коллинз из Университета Бостона заметил, что, хотя некоторые исследователи и тешат себя «иллюзиями величия», на самом деле задачи и достижения синтетической биологии куда скромнее. Жизнь, к сожалению или к счастью, пока никто не создал.
Что же сделали Крейг Вентер и его команда? По сути они удалили геном из бактерии Mycoplasma capricolum и заменили его искусственно синтезированным геномом близкого родственника — M. mycoides. Полученная химера оказалась вполне функциональна и смогла размножаться самостоятельно. Несмотря на то что пересаженный геном был создан «в компьютере» (как заметил Вентер), назвать его творение синтетической или искусственной жизнью не поворачивается язык. (Гарвардский генетик Джордж Черч заметил по этому поводу, что скопировать древний манускрипт — это совсем не то же самое, что научиться понимать мертвый язык.) Скорее, исследователи научились создавать ДНК-протезы и успешно их пересаживать. Снабженная протезом бактерия смогла жить и размножаться — прежде таких операций не удавалось провести никому. Правда, после успешной пересадки бактерия поменяла видовую принадлежность, поскольку все ее белки считывались с чужеродной ДНК. Вентер даже раздумывал одно время над тем, чтобы описать свое создание как новый вид — M. laboratorium, но благоразумно отказался от этой затеи.
Несмотря на то что сенсация преувеличена, Вентеру и его команде удалось решить множество тонких технологических задач, которые наверняка пригодятся его коллегам. Для начала, никто и никогда не создавал прежде de novo цепочки ДНК длиной больше тысяч нуклеотидов, — команде из JCVI удалось синтезировать цепочку длиной около миллиона. При этом им пришлось воспользоваться помощью клеток дрожжей и кишечной палочки, которые сшивали бактериальный геном из отдельных кусочков, полученных традиционными способами. Технология безошибочного производства ДНК такой длины — безусловный прорыв. Ключевое слово тут «безошибочный» — одна ошибка в генетическом коде может пустить всю работу насмарку, что и случилось с командой из JCVI, потерявшей три месяца на устранение недочета.
Вторая проблема, с которой столкнулись ученые, — естественная защита бактериальной клетки — получателя генома. В жизни нормальной бактерии единственные создания, стремящиеся вставить в нее кусок чужеродной ДНК, — это вирусы. Поэтому бактериальные клетки имеют соответствующие механизмы защиты. Команде Вентера удалось обойти эту защиту.
Наконец, Вентер сознательно усложнил себе работу, пойдя на некоторое пижонство. В собранный наново генетический код он вставил закодированные нуклеотидами осмысленные последовательности, например адрес своей электронной почты. По его словам, эта последовательность позволит уличить в плагиате любого, кто без разрешения воспользуется созданным им геномом. (Вентер — последовательный сторонник патентования такого рода достижений.) Но вполне вероятно, это была не столько попытка защиты интеллектуальной собственности, сколько маркетинговый ход. Как еще рекламировать свои достижения в век биотехнологий, если не генетическим кодом, — неоновые лампы давно уже устарели. Кроме того, если в чем-то помимо биотехнологий Вентера стоит признать гением, так это в саморекламе.
Прославился Вентер 10 лет назад, когда был опубликован первый относительно полно прочитанный геном человека. В это сложно поверить, но практически в одиночку он смог обогнать безумно дорогостоящий интернациональный проект «Геном человека», потратив на это в три раза меньше времени. Несколькими годами позже он опубликовал первый диплоидный геном человека (то есть расшифровал все 46 хромосом человека, а не 23, которыми, как правило, ограничиваются). Человеком этим был, естественно, он сам. Сейчас Вентер и основанный им институт JCVI (J Craig Venter Institute) занимаются сразу несколькими важными проблемами. Например, изучают генетическое разнообразие океанической микрофлоры (для отбора проб Вентер предоставил собственный парусный шлюп) и болезнетворных организмов — в надежде эффективнее с ними бороться. Кроме того, JCVI занимается разработкой бактерий, способных синтезировать топливо. Именно синтезу топлива, как считает Барак Обама, могут помочь последние достижения в деле ДНК-протезирования.
Ирония состоит в том, что получить коммерческий выход из опыта по пересадке генома, в ближайшее время не удастся. Если даже бактерий при помощи генетической инженерии и научат производить нефть, то сделают это привычными старыми методами — пересаживая отдельные гены. Пересаживать целый геном ради нескольких нужных генов — это непозволительная расточительность.
Даже в отсутствие практических перспектив Крейг Вентер, поставивший очередное высокотехнологическое шоу, получит, вероятно, еще несколько грантов на создание бактерий, производящих топливо, или искусственной жизни. Но до искусственной жизни ему еще почти так же далеко, как 10 лет назад. Хотя на феномен жизни он, по собственному признанию, смотрит теперь иначе.
Синтетическая жизнь
04.06.2010 | Клещенко Елена | № 18 от 31 мая 2010 года
Ученые создали искусственную клетку
Сенсацией мая 2010-го стала новость о том, что американским ученым из института Крейга Вентера удалось «с нуля» собрать из нуклеотидов бактериальный геном. Когда синтетический геном внедрили в живую клетку, он исправно в ней заработал. Правда ли, что исследователи преодолели барьер между живым и неживым — создали искусственную жизнь и открыли новую эпоху в биологии?
Институт Джона Крейга Вентера (JCVI) — некоммерческая организация, выполняющая пионерские работы в области геномики. Именно там были секвенированы* * Секвенирование — определение «букв» нуклеотидной последовательности ДНК. геномные последовательности многих микроорганизмов. А в 2007 году электронный научный журнал PLos Biology опубликовал статью международной научной группы, посвященную исследованию генома самого Крейга Вентера. Геном выложили в свободный доступ, и сейчас его может скачать любой желающий — если хватит терпения. Размер генома человека — 3 млрд «букв», а в геноме Вентера отсеквенировали как материнские, так и отцовские хромосомы, чтобы получить обе копии каждого гена: получилось вдвое больше.
К тому же донор честно предоставил подробные сведения о своем здоровье и здоровье близких родственников. Это называли смелым поступком: сугубо личная информация стала достоянием публики, и теперь даже в Википедии написано, что у Вентера генетическая предрасположенность к антисоциальному поведению и болезни Альцгеймера. Но он, как видно, не комплексует по этому поводу. Совсем недавно ученые из Института эволюционной антропологии Общества Макса Планка (Германия), выделившие из палеонтологических образцов ДНК неандертальцев, установили, что последние все-таки скрещивались с человеком современного типа и оставили «следы» в наших геномах. Современное человечество в этом исследовании представляли геномы пяти анонимных представителей разных рас — и геном Крейга Вентера.
Еще один знаменитый его проект — исследование геномов морских микроорганизмов, которое, по замыслу авторов, поможет человечеству разобраться в фундаментальных аспектах экологии океана. Кроме того, Вентер — один из создателей компании Synthetic Genomics, где работают над созданием микроорганизмов, способных эффективно производить биотопливо. Словом, он выбирает самые популярные темы на переднем крае биологии, в каждой добивается ярких результатов и умеет их преподнести.
 |
Как рассказывал сам Вентер в интервью главному редактору Nature Biotechnology Эндрю Маршаллу, идею собрать минимальный геном подарило молекулярным биологам открытие «нанобактерий» в метеорите марсианского происхождения.* * Структуры, напоминающие нанобактерии, обнаружил в 1996 году в обломках метеорита, найденного в Антарктиде, ученый из НАСА Крис Романек. Проблема минимального генома оказалась не менее интересной, чем жизнь на Марсе. Сколько нужно генов, чтобы обеспечить существование простейшей клетки? Эту задачу можно было решать теоретически, изучая функции генов, или практически — долго и нудно по очереди «отключая» гены у какой-нибудь бактерии. Крейг Вентер предложил третий путь, эффектный, но казавшийся нереальным: самому собрать минимальный геном «с уровня пола», внедрить его в клетку, лишенную собственного генома, и посмотреть, что будет.
Удобной экспериментальной моделью стали бактерии рода Mycoplasma — геномы у них сравнительно короткие, 0,5—1 млн «букв». Для начала нужно было научиться изготовлять носитель информации — ДНК, причем такую, чтобы клетка ее приняла и согласилась выполнять «команды», записанные в генах.
Перепрограммировать бактериальную клетку, вводя в нее короткие ДНК-конструкции, ученые умели давно. Но если ввести в клетку целый синтетический геном вместо родного — «заметит» ли она разницу?
Работа над «синтетикой»
Для разминки первые опыты поставили с бактериофагом, или просто фагом — бактериальным вирусом. Такой вирус впрыскивает свою ДНК в бактерию, после чего фаговый геном «переключает на себя» исполнительные механизмы, запускает свое копирование, производство белков и сборку новых частиц фага. Задача казалась элементарной, ведь длина ДНК фага — всего 5 тыс. «букв». Но первые опыты были неудачными — позднее выяснилось, что геном фага синтезирован с большим количеством «опечаток». Когда их исправили, дело пошло на лад: в клетке появились фаговые частицы.
Но фаги, как и вирусы, — самая примитивная, бесклеточная форма жизни, и геном у данного фага был короткий: всего 5 тыс. нуклеотидов. Получится ли такое с геномом микоплазмы, в сто раз более длинным?
Начали сборку большого генома микоплазмы. Маленькие фрагменты ДНК синтезировали, затем клонировали в клетках кишечной палочки, а затем — уже самые крупные — в клетках дрожжей. Геном «микоплазмы лабораторной» был собран в январе 2008 года. Авторы убрали из нее ген, контролирующий патогенность, и добавили нуклеотидные последовательности, не встречающиеся в природе, — «значки копирайта», по которым можно будет опознать искусственную ДНК.
Внедрить в клетку синтетическую хромосому удалось не сразу, потребовалось много хитроумных приемов. Но, наконец, «обманутая» клетка приняла чужую ДНК и переменила свои качества в соответствии с новой «программой». Еще в декабре Крейг Вентер говорил, что синтетический геном удастся запустить в течение года. Но оказалось, что они управились за полгода.
В чем же состоит значение работы Вентера? Многие заговорили о создании «искусственной жизни», предостерегая от опасных экспериментов, открывающих возможность манипуляций природой для создания невиданных организмов. Другие ученые считают, что перед человечеством открываются новые возможности. Сам Вентер говорит, что его работа подтвердила теорию, что в геном организма можно вносить изменения, удалять ненужные функции и добавлять новые, и это позволит «создать целый ряд промышленных организмов, которые направят свои усилия на то, чтобы выполнить наши задания».
Достижение американских генетиков комментирует заместитель директора Института проблем передачи информации, доктор биологических наук и кандидат физико-математических наук Михаил Гельфанд
Можно ли сказать, что Крейг Вентер с сотрудниками создали синтетическую жизнь?
Так говорить, по-видимому, неправильно. Из бактериальной клетки изъяли ее собственный геном и заменили его геномом другой бактериальной клетки близкого вида. Геном действительно был создан искусственно, в том смысле, что исходные короткие фрагменты делались методом химического синтеза. Но он фактически копировал геном существующей бактерии.
В чем же тогда заслуга группы Вентера?
В том, что технически это очень сложно. Но это очередная работа в цикле, все предыдущие шаги уже были опробованы раньше. Я не понимаю, почему именно этот шаг привлек такое внимание. Крейг Вентер — замечательный человек. Каждое свое достижение он сопровождает публичными заявлениями и всегда выполняет то, что обещает. Понятно, что после каждой его статьи начинается шум в прессе, и в этот раз шум почему-то выплеснулся на просторы русского интернета, хотя прирост нового знания в этой работе не больше, чем в предыдущих. Это не значит, что она плохая, предыдущие были столь же хороши. Такую большую молекулу ДНК очень трудно сделать, с ней трудно проделывать манипуляции так, чтобы не повредить ее. Думаю, в ближайшие пять лет СМИ еще как минимум дважды будут писать про то, что Крейг Вентер сделал синтетическую жизнь. Сначала он сделает геном, из которого уберет какие-то гены, — минимальный геном. А потом он туда что-нибудь вставит — и будет очередная сенсация: создан организм с новыми свойствами. При этом никто не вспомнит, что генные инженеры постоянно делают то же самое. С технической точки зрения это очень красиво. Но создавать организм с новыми свойствами практичнее на основе уже существующего организма с хорошими задатками. Те же микроорганизмы, производящие биотопливо, о которых часто говорит Вентер, вполне можно было бы делать, например, из Zymomonas mobilis, которая производит не просто биоэтанол, а текилу.* * Бактерия Zymomonas mobilis сбраживает сок агавы, причем перегонкой продуктов брожения получают текилу. Биотехнологи интересуются ею потому, что она производит этиловый спирт с замечательной эффективностью.
В одном из интервью Крейг Вентер заявлял, что биотехнология будущего сделает ставку не на создание новых генов, а на геномы, собранные из уже известных нам десятков миллионов генов, как из деталей конструктора. Такая перспектива реальна?
Это интересный вопрос. Классическая генная инженерия давно умеет пересаживать ген из одной бактерии в другую, образно говоря, ремонтирует «москвич» с помощью деталей от «мерседеса», но это еще не сборка с нуля. То же самое проделывают бактерии в живой природе, обмениваясь фрагментами геномов. Но составить каталог необходимых генов и собрать из них работающий геном — немного другая задача. Если этот каталог составляется на основе одного или нескольких родственных видов, это будет работать, но непонятно, что в этом интересного. Если же составлять его на основе разных видов, возникнут сложности. Продолжая аналогию — это все равно что собирать автомобиль из деталей от различных марок. Даже если комплект будет полным, приемлемый результат не гарантирован. Белки, работающие в одной клетке, эволюционировали вместе, притираясь друг к другу. Добиться того, чтобы белки разных организмов не только правильно взаимодействовали, но и синтезировались в нужных количествах и в нужное время, то есть наладить регуляцию — это по состоянию на сегодня представляется безнадежным.