Mekkora az élethez szükséges minimális genom?

Craig Ventert soha nem lehetett azzal vádolni, hogy nem mer nagyot álmodni. A Human Genome Project alternatív “megoldásával” berobbanó öntörvényű, egyszerre csodált és kritizált kutató mostanában a saját magáról elnevezett intézetet igazgatja, és amikor nem az emberi genom minél pontosabb feltérképezésén, illetve az ehhez kapcsolódó egyénre szabott gyógyászathoz kapcsolódó projektjein ügyködik, akkor a nem kevésbé ambíciózus “szintetikus élet létrehozása” munkacímen összefoglalható kutatás izgatja.

A cél nem kevesebb, mint létrehozni egy saját maga által tervezett működésű sejtet. Ez persze a gyakoraltban még elég messze van (bármit is mondanak a bulvár(osodó) lapcímek), viszont az is jól látható, hogy a JCVI kutatói legalább egy jól körülírható, középhosszú távra szóló tervvel rendelkeznek és ezen az úton próbálnak végigmenni.

A feladat technikai részét, vagyis leszintetizálni és összerakni, majd “életrekelteni” egy genomot már 2010-ben megoldották Venterék, amikor egy Mycoplasma genomot egy az egyben mesterségesen elkészítettek (megspékelve pár, vízjel funkciót betöltő mesterséges szekvenciával, amelyek egyszerre működtek PR fogásként, illetve tették lehetővé, hogy a szintetikus genomú sejt utódjait el lehessen különíteni). Ez lett a Syn1.0, aminek a megalkotása ugyan egyáltalán nem volt triviális, de öt évvel ezelőtt sem számított már technológiai ugrásnak. Na meg ez csak a könnyebb része volt a dolognak.

Ugyanis arról, hogy mit kellene kódolnia egy szintetikus sejtnek, csak homályos fogalmaink vannak. Mármint természetesen nagyon sok génről tudjuk, hogy létfontosságú kell legyen a funkciója, de még mindig nem tudunk igazából definiálni egy olyan minimál génhalmazt, amivel egy sejt már eldöcögne. Ehhez visz közelebb Venterék új Science cikke, de igazából a problémát még nem oldja meg.

‌A korábbi Syn1.0-ból készült Syn3.0 sejtek morfológiai sokszínűséget mutatnak (egyes sejtek filamentumokat hoznak létre – fehér nyilak, mások hatalmas vakuólákat – fekete nyilak), aminek az okát jelenleg nem nagyon értjük. (Forrás: Science)

Venterék eleve azért egy Mycoplasma faj genomját szekvenálták meg, mert ezek a baktériumok rendelkeznek a legkisebb ismert genomokkal, így az volt a feltételezés, hogy mivel a természet már eleve eltávolította a nem létfontosságú gének egy részét, könnyebb dolga lesz a kutatóknak.

Általános szabályként elmondható, hogy minél stabilabb környezete van egy sejtnek, annál kisebb a genomja, hiszen nem kell olyan géneket tartalmaznia, amelyek a nagy környezetváltozásokra készítik fel. Ennek megfelelően a parazita és szimbionta sejtek genomja a legkisebb. Míg a közismert Escherichia coli genomja kb. 4300 génből áll, addig az emberi húgy- és ivarszervek sejtjeiben élősködő Mycoplasma genitalium mindössze 525 gént tartalmaz. (Sőt, az aktuális rekorder, a kabóca szimbionta Nasuia deltocephalinicola mindössze 137 fehérjekódoló gént tartalmaz, de ezt csak úgy tudja elérni, hogy a legtöbb anyagcsere-útvonala elsatnyult és számos aminosavját a gazdaszervezet biztosítja, így azon kívül életképtelen.)

Nem véletlen tehát, hogy Venter szintén egy Mycoplasmát választott érdeklődése célpontjául. A Syn1.0 még 901 gént tartalmazott és most azt próbálták megállapítani, hogy ezek közül melyikeket lehet eltávolítani, anélkül, hogy a baktérium elpusztulna. Első körben 479 ilyen gént azonosítottak, de amikor ezeket a géneket együttesen próbálták eltüntetni a Syn1.0 genetikai anyagából, a sejt életképtelen lett, aminek az oka az lehet, hogy bizonyos génpárok egymást helyettesíteni képesek (így egyenként mindketten nem esszenciálisnak tűnnek), de együttes kiütésük halálos lesz.

Végül az életképes, gyorsan növekvő Syn3.0 genomja (a Syn2.0 egy köztes állapot volt) 473 gént tartalmaz, amelyek közel fele egyszerűen a genetikai információ lefordítására és hivajavítására való, 17%-a a sejt metabolizmusát biztosítja, 18%-a pedig a sejtmembrán összetételét. És van 149 darab, aminek még mindig nem ismerjük a funkcióját. Ezek a rejtélyes gének nagy valószínűséggel a korábbi kategóriák valamelyikébe tartoznak, de nem tudjuk pontosan mi a feladatuk és hogyan működnek együtt a többi, ismert funkciójú génnel. Ez pedig pontosan mutatja, hogy miért vannak még mindig komoly akadályok az első valóban számítógépen tervezett, szintetikus genomú élőlény megalkotásában: egyrészt még mindig nem ismerjük kellő mélységben egy egyszerű genomú baktérium működését sem, ráadásul ha mondjuk a Syn3.0 jobb megismerésével azt az akadályt a közeljövőben le is küzdjük, még akkor is probléma marad, hogy ez a kutatás csak azt mutatja majd meg, hogy milyen gének szükségesek egy Mycoplasma-jellegű sejt működéséhez.

Ahhoz, hogy általában megtudjuk, milyen gének kellenek egy minimál-sejt működéséhez, ahhoz ehhez hasonló genom-tömörítő kísérleteket más fajokban is el kell végezni. Ilyen kísérletek természetesen már jó ideje zajlanak a világban (pl. Szegeden, Pósfai György csoportjában), így csak idő kérdése, hogy megtudjuk, valóban mi az élethez szükséges minimál-genom.

[A poszt eredetileg a ScienceMeetup blogjában jelent meg.]

  Hutchison CA 3rd, Chuang RY, Noskov VN, Assad-Garcia N, Deerinck TJ, et al. (2016) Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science 351(6280):aad6253.