Темная материя жизни

Сотрудники Института Крейга Вентера с коллегами впервые «собрали» полную геномную последовательность ДНК, выделенную из одиночной бактериальной клетки. Эта работа может революционизировать наши представления об эволюции и динамике взаимодействия бактерий в природе.

В журнале Nature Biotechnology опубликована статья, в которой представлен новый компьютерный алгоритм, позволяющий собирать короткие фрагменты ДНК в полноценные геномные последовательности. Одними из авторов этой работы являются сотрудники института Крейга Вентера.

Именно под руководством основателя этого учреждения Крейга Вентера ученым полтора года назад удалось получить бактериальную клетку, жизнь которой контролирует искусственно созданный геном. Рассказывая же о статье из Nature Biotechnology (кстати, Вентер не является соавтором этой работы), зарубежные научно-популярные СМИ пишут о секвенировании (то есть определении последовательности генов) «темной материи жизни». Под «темной материей жизни» подразумеваются бактерии, которые «играют важную роль в здоровье человека», «составляют до 10% веса человеческого тела» и «могут быть найдены где угодно – от желудка до рта», а также имеют важное значение в производстве антибиотиков и биотоплива.

Подробнее о работе в Nature Biotechnology и ее значении «Газете.Ru» рассказал известный биолог Константин Северинов, заведующий лабораториями Института молекулярной генетики РАН и Института биологии гена РАН, профессор Университета Ратгерса (США):

«Бактерии – основная форма жизни на нашей планете, как с точки зрения количества организмов, так и с точки зрения разнообразия форм. Для того чтобы это осознать, можно, например, вспомнить, что внутри нашего тела, в кишечнике, количество бактериальных клеток превышает общее количество клеток нашего собственного организма как минимум на порядок. Несмотря на различные «страшилки» из области здравоохранения, подавляющее большинство бактерий совершенно нейтрально по отношению к человеку, а без многих из них мы просто не смогли бы жить.

Осознание, насколько разнообразен мир бактерий, появилось после того, как были разработаны методы высокоэффективного определения последовательностей носителя генетической информации – ДНК. В последние 10–15 лет появилась масса работ по так называемой метагеномике, в которых ученые выделяли бактериальную ДНК из различных мест, а затем определяли последовательности относительно коротких участков ДНК, присутствующих в образцах.

В результате получалась частичная информация о ДНК всех бактерий, которые находились в изучаемом образце почвы, океанической воды, смыве с поверхности кожи и т. д.

Другим направлением работ было определение полных последовательностей ДНК из бактерий, которые ранее были выделены в чистых культурах, т.е. выращены в лаборатории. Такая работа включает в себя выделение большого количества ДНК из монокультуры бактерий (где все выделенные молекулы ДНК принадлежат бактерии одного вида), а затем определению последовательности коротких фрагментов, которые могут быть «сложены» в единую последовательность, соответствующую полному геному бактерии, с помощью сложного компьютерного анализа. Результатом этой деятельности стала информация о полном наборе генов бактерий, обладающих теми или иными интересными свойствами (например, патогенностью, способностью производить антибиотики или нужные ферменты и т. д.).

Наличие полного генома также позволяет ученым судить о различных физиологических свойствах бактерии, таких, например, как способность к росту на тех или иных питательных средах, переработке конкретных субстратов, интересных с точки зрения биотехнологии, и т. д.

Эти два направления были в общем-то независимыми друг от друга. Дело в том, что, несмотря на очевидное огромное разнообразие последовательностей бактериальных ДНК из природных образцов, лишь крошечная доля присутствующих там бактерий может быть культивирована в лабораторных условиях. Поэтому «подержать в руках» какую-то интересную бактерию, присутствующую в природном образце, или определить ее полную геномную последовательность было невозможно.

В обсуждаемой работе авторы предложили улучшенную версию компьютерного алгоритма, который позволяет собирать короткие фрагменты ДНК в полноценные геномные последовательности.

Преимущество своего алгоритма авторы показали на деле, «собрав» полную геномную последовательность ДНК, выделенную из одиночной бактериальной клетки.

В контрольном эксперименте действенность алгоритма была доказана с ДНК, выделенной из одной клетки культивируемой бактерии, полная геномная последовательность которой уже была известна. Убедившись в высокой эффективности алгоритма, авторы определили «полногеномную» последовательность ДНК, выделенной из одиночной клетки бактерии, которая пока что не может быть выращена в лаборатории.

Несмотря на то что даже улучшенный алгоритм еще далек от совершенства, полученные результаты показывают принципиальную возможность изучения индивидуальных клеток некультивируемых бактерий. В недалеком будущем можно будет с помощью микроманипуляторов выделять одиночные бактерии из самых разных образцов и за относительно небольшие деньги получать их полную геномную последовательность.

Анализ таких данных может революционизировать наши представления об эволюции и динамике взаимодействия бактерий в природе.

В будущем подход, развиваемый авторами, может позволить получать

«полногеномную» информацию об индивидуальных клетках человека, например раковых клетках, для выявления всех изменений, происходящих при патологическом перерождении клетки. Правда, достигнуть такого результата будет непросто, так как количество ДНК в одной человеческой клетке во много раз больше количества ДНК в бактериальной клетке».