Биоинженеры смоделировали работу самой простой в мире синтетической формы жизни

Жизнь сложна. Даже самые маленькие клетки содержат умопомрачительный набор химических реакций, которые позволяют им процветать в хаотичном ландшафте.

Если мы хотим понять, где проходит граница между жизнью и пузырьками старого несвежего органического супа, необходимо убрать все лишнее, чтобы выявить основные компоненты, а затем определить, как каждый из них работает.

Это было целью биохимиков в течение нескольких лет, которые за эти годы преуспели в создании некоторых удивительно простых организмов, которые едва держатся за жизнь в лаборатории.

Теперь ученые из Института Дж. Крейга Вентера и Университета Иллинойса Урбана-Шампейн в США, а также Технического университета Дрездена в Германии сделали следующий шаг и создали подробное моделирование своего последнего минималистского микроба.

"Новым здесь является то, что мы разработали трехмерную, полностью динамическую кинетическую модель живой минимальной клетки, которая имитирует то, что происходит в реальной клетке", - говорит химик Университета Иллинойса Урбана-Шампейн Зайда Лютей-Шультен.

Лютей-Шультен возглавляла группу исследователей, анализировавших разнообразные генетические, метаболические и структурные изменения, происходящие в реплицирующейся культуре синтетических бактерий под названием JCVI-syn3A.

Моделирование работы самых простых организмов, таких как виды Mycoplasma или обычный микроб Escherichia coli, все еще требует нескольких математических коэффициентов для широкого моделирования работы многочисленных подсистем. Сплести воедино полный спектр подробных описаний всего, начиная с генов и заканчивая питательными веществами, просто невозможно, даже для этих сравнительно простых бактерий.

В начале 2000-х годов исследователи из Института Дж. Крейга Вентера удалили как можно больше генов из Mycoplasma mycoides, оставив версию, которая стояла на грани выживания.

Эта синтетическая форма жизни, названная JCVI-syn1.0, вскоре была вытеснена чем-то еще более простым. JCVI-syn3.0.

Эта обновленная версия содержит всего 531 000 оснований, распределенных между 473 генами. Поскольку все его потребности в питательных веществах обеспечиваются лабораторией, его "голый" геном остается только заботиться о репликации и росте и мало о чем еще.

Тем не менее, JCVI-syn3.0 не совсем последователен в своем росте, создавая запутанное разнообразие форм в своем потомстве. Несколько генов были вставлены обратно, в результате чего появилась последняя версия минимальной клетки: JCVI-syn3A.

Ее создатели имеют четкое представление о том, какие гены содержит их синтетическая клетка, но все еще работают над тем, что именно делает каждый из них.

Еще больше усложняет ситуацию то, что необходимо знать, как каждый атом и молекула диффундируют по клетке, а для моделирования этого процесса требуются большие вычислительные мощности.

"Мы разработали трехмерную, полностью динамическую кинетическую модель живой минимальной клетки", - говорит Лютей-Шультен.

Наша модель открывает окно во внутреннюю работу клетки, показывая нам, как все компоненты взаимодействуют и изменяются в ответ на внутренние и внешние сигналы". Эта модель - и другие, более сложные модели, которые появятся в будущем - помогут нам лучше понять фундаментальные принципы жизни".

Моделирование подтвердило некоторые подозрения, например, тот факт, что большая часть энергии минималистской клетки уходит на перетаскивание необходимых материалов через мембраны.

Она также дала точное описание временных рамок генетических и метаболических реакций, объяснив взаимосвязь между скоростью производства липидов и белков в мембране и изменениями формы клетки.

Поскольку JCVI-syn3A - это, по сути, урезанные версии естественно встречающихся организмов, они являются лишь одним из примеров того, как можно минимализировать функции биологии. Жизнь не может не быть творческой в том, как она преодолевает препятствия для выживания.

Теперь, когда у нас есть проверенная модель для имитации роста и развития JCVI-syn3A, исследователи могут снова наращивать ее сложность, чтобы определить, как различные гены дополняют ее функции.

В ближайшем будущем можно ожидать появления новых "облегченных" версий не только M. mycoides, но и других организмов. Если не полностью новые синтетические формы жизни.

Возможно, жизнь по-прежнему сложна, но изучать ее стало намного проще.

Это исследование было опубликовано в журнале Cell.