Минималь геном идеясе безнең ватандашлар Евгений Кунин һәм Аркадий Мушегян тарафыннан тәкъдим ителгән була (алар ул вакытта Вашингтонның шәһәрьяны — Бетесд шәһәрендә урнашкан Биотехнологик мәгълүмат милли үзәгендә эшләгәннәр). Беренче бактериаль геномнарның эзлеклелеге һәм аларның никадәр күптөрле икәнлеге мәгълүм булгач та, галимнәр яшәеш өчен алыштыргысыз булган геннар җыелмасын билгеләргә кирәк дигән фикергә киләләр. Әгәр теге яисә бу ген барлык бактерияләрдә дә бар икән, бәлки, аннан башка яшәп булмый торгандыр?

Нәрсә соң ул минималь геном?

Минималь геномның нәрсә икәнен билгеләү өчен берничә  алым бар. Шуларның беренчесе – эволюцион алым. Бу алымның нигезендә түбәндәге табигый фикер сөреше ята: әгәр дә мәгәр теге яисә бу ген барлык организмнарда да очрый икән, димәк, аннан башка яшәп булмый.

Дөресен генә әйткәндә, бу фикердә бераз хәйлә бар: төрле организмнарда чыннан да бер үк ген икәнлеге кайдан билгеле, һәм, гомумән, төрле геномнарда урнашкан “бер үк ген” нәрсә ул?

Җавап шундый: тикшерелүче геномнардагы ген бер үк дип саналсын өчен, бу организмнарның уртак нәсел башы булырга һәм генның барлыкка килү тарихы белән төр тарихы тәңгәл килергә тиеш, ягъни төр тарихында дупликация, геннарның горизонталь күчеше кебек күренешләр булмаска, ә геннар арасындагы аермалыклар төрләр ясалу процессы белән генә аңлатылырга тиеш. Әлеге эчтәлекле билгеләмә безнең геннар һәм төрләр тарихын белергә тиешлегебезне күздә тота. Моннан тыш, бу эчтәлеккә якынлашучы технологик билгеләмәләр дә бар.

Mushegian AR, Koonin EV. A minimal gene set for cellular life derived by comparison of complete bacterial genomes. Proc Natl Acad Sci U S A. 1996; 93(19):10268-10273.
Koonin EV. Orthologs, paralogs, and evolutionary genomics. Annu Rev Genet. 2005; 39: 309-338.

Геннар инженериясе

Эш шунда ки: организмда бер үк функцияне гомолог булмаган (ягъни килеп чыгышлары төрле булган) аксымнар башкара ала, бер үк реакциядә катализатор буларак төрле ферментлар катнашырга мөмкин. Организм яшәеше өчен мөһим реакциягә ким дигәндә бер шундый фермент кирәк. Кунин шуңа игътибар итә: бу ферментлар бер яисә төрле класслардан була ала, әмма аларның берсе дә геннарның күплеген аңлата алмый.

Кайсы генның никадәр мөһим икәнен билгеләр өчен, җиңелрәк ысул да кулланып була. Моның өчен геннар инженериясе алымнары ярдәмендә берәр модель организмның геннарын берәмләп “үтерәләр”. Нәтиҗәдә, кызыксындырган ген эшләүдән туктый, ә калганнарына тәэсир итми. Модель организм буларак гадәттә эчәклек таякчыгы — Escherichia coli бактерияләрен кулланалар. Аларның геномы 4-6 мең геннан тора (төрле штаммнарда төрлечә). Әгәр дә мондый тәэсиргә дучар ителгән бактерияләр яшәү сәләтен югалтмыйлар икән, димәк, бу ген аның кадәр мөһим түгел. Һәм киресенчә: “үтерелгән” геннан башка организм яши алмаса — ул алыштыргысыз.

Koonin EV, Mushegian AR, Bork P. Non-orthologous gene displacement. Trends Genet. 1996; 12(9): 334-336.

Дөрес тирәлек кирәк

Әмма бу урында тагын бер кимчелек туа: тәҗрибәнең нәтиҗәсе бактерияләрне нинди туклыклы тирәлектә үстерүгә бәйле. Әйтик, сез фруктоза транспортеры яки фруктоза эшкәртүнең беренче этабында катнашучы фермент генын “үтергәнсез” ди, ә кулланылган тирәлектә бердәнбер углерод чыганагы булып фруктоза хезмәт итә, бу очракта сезнең бактерияләрнең эшләре шәптән түгел: тирәлектә фруктозадан башка берни дә юк, ә бактерияләр аны эшкәртә алмый. Шул ук тирәлеккә глюкоза өстәсәгез, штамм үзен яхшы хис итә башлаячак һәм нормаль бактерияләр кебек үсәчәк.

Мондый мисаллар бик күп, шунлыктан бактерияләрнең минималь геномын өйрәнү өчен, аларны күзәнәк эшчәнлеге өчен кирәк булган матдәләргә бай тирәлектә үстерү зарур. Минималь геном төшенчәсенең бу билгеләмәсе дә игътибарга лаек, әмма ул эволюцион билгеләмәгә караганда йомшаграк. Башка сүз белән әйткәндә, тулысынча универсаль геннарның саны индивидуаль “үтерү” вакытында “универсаль” дип билгеләнгән геннардан күпкә азрак.

Joyce AR, Reed JL, White A, Edwards R, Osterman A, Baba T, Mori H, Lesely SA, Palsson BØ, Agarwalla S. Experimental and computational assessment of conditionally essential genes in Escherichia coli. J Bacteriol. 2006; 188(23): 8259-8271.

Секвенлаштыру

Әмма бу да асыл дөреслек түгел әле, чөнки табигый шартларда бер бактерия дә бай тирәлекле пробиркада яшәми. Кайсы геннарның алыштыргысыз икәнен билгеләү өчен, башка төрле ысул да кулланып була. Бу тәҗрибә болай башкарыла: сез бактерияләр популяциясен транспозон белән зарарлыйсыз да (транспозон – ул геномның теләсә кайсы урынына урнашырга сәләтле паразитик ДНК кисәкчеге), аннары бу транспозон “кереп утырган” урыннардагы нуклеотидлар тәртибен билгелисез. Тәҗрибәнең мантыйгы шунда: әгәр ген тулысы белән алыштыргысыз икән, аңа транспозон кереп урнашу бактериянең үлеменә китерәчәк. Ген алай ук мөһим булмаса, транспозонның урнашуы бернинди куркыныч нәтиҗәгә дә китермәс. Әгәр дә без, статистик яктан игътибарга лаеклы нәтиҗәләр алу өчен,  шундый ук күп күләмдәге бактерияләрнең геномнарына секвенлаштыру үткәрсәк, һәм транспозоннар беркайчан да урнашмый торган геннарны таба алсак (дөреслектә исә, транспозоннар анда да урнаша, әмма без моны күзәтә генә алмыйбыз, чөнки бу генның “эштән чыгуы” бактериянең үлеменә китерә), без шуның белән күзәнәк өчен алыштыргысыз булган геннарны тапкан булабыз.

Hutchison CA, Peterson SN, Gill SR, Cline RT, White O, Fraser CM, Smith HO, Venter JC. Global transposon mutagenesis and a minimal Mycoplasma genome. Science. 1999; 286(5447): 2165-2169.

Бактерияләр саны арта

Бу очракта алыштыргысыз геннарның саны бай тирәлектә үстерү нәтиҗәсендә   билгеләнгәнгә караганда күбрәк булачак, чөнки анда бактерияләрнең саны арта, һәм аларга туклыклы матдәләр өчен көрәшергә туры килә. Транспозон тәэсирендә бактерия үлмичә, бераз конкурентлык сәләтен генә югалтса, ул башкалар белән көрәштә җиңелә башлый. Шунлыктан, мутагенез булган тирәлектә (ә транспозон урнашу – ул мутациянең бер төре) бөтенләй яшәргә сәләтсез күзәнәкләр генә түгел, бераз зәгыйфь булганнары да җиңелә. Әгәр без соңгыларын аерым пробиркада үстергән булсак, беркайчан да аларның башкаларга караганда бераз әкренрәк бүленгәнен сизмәс идек, ә организмнар үзара ярышканда, без моны шунда ук күрәбез.

Билгеләмә максаттан тора

Транспозоннар куллану – ул бактерияләрнең яшәү шартларындагы реаль вәзгыятькә якынаерга тырышу ысулы. Моннан башка тышкы тәэсирләр, тышкы дошманнар да бар әле. Минималь геномга башка билгеләмә дә бирергә мөмкин. Нинди максат куюыгызга карап, бу өч билгеләмәнең барысы да игътибарга лаек.

Бу проект матур күренә

Хәзерге вакытта минималь геном тематикасы буенча иң күп тәҗрибәләр үткәрүче галим – башта кеше геномын өйрәнеп, аннан бактерияләр белән эшләүгә күчкән Крейг Вентер. Әмма, дөресен әйткәндә, миңа аның “без башта минималь геном ясыйбыз, ә аннары, анда төрле кисәкләр өстәп, заказ буенча “дизайнлы” бактерияләр җитештерәчәкбез”, дигән идеясе (ул аны әле сатырга да җыена) бик үк ошап бетми. Мин шуны аңлап бетермим: без бу эшне хәзер дә шул ук эчәклек таякчыгы белән башкара алабыз икән (безнең технологик штамнарыбыз бар), аның технологик кыйммәте нидән гыйбарәт? Вентер сүзләренчә, минималь геномлы бактерияләрдә бер кирәкмәгән әйбер дә булмаячак. Анысы шулай, әмма аларның бик зәгыйфь булачакларын да истә тотарга кирәк. Ул үзенең проектын инвесторларга ничек аңлата торгандыр – монысы миңа караңгы. Шулай да фәнни һәм техник яктан бу проект бик матур, моннан тыш ул бер бактериянең геномын икенчесенә күчереп утырту һәм бик озын стабиль ДНК молекулаларын синтезлау буенча берничә принципиаль технологик адым ясады. Бу ДНКны бактерияләргә күчереп утыртып булачак, ә алар бу ДНКны үз геномы урынына файдаланачак.

Check E. Venter aims for maximum impact with minimal genome. Nature. 2002; 420(6914): 350.

Gibson DG, Glass JI, Lartigue C, Noskov VN, Chuang RY, Algire MA, Benders GA, Montague MG, Ma L, Moodie MM, Merryman C, Vashee S, Krishnakumar R, Assad-Garcia N, Andrews-Pfannkoch C, Denisova EA, Young L, Qi ZQ, Segall-Shapiro TH, Calvey CH, Parmar PP, Hutchison CA 3rd, Smith HO, Venter JC. Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science. 2010; 329(5987): 52-56.

Михаил Гельфанд, биология фәннәре докторы, профессор, РФН Мәгълүмат тапшыру проблемалары институты директоры урынбасары, Европа Академиясе әгъзасы, А.А. Баев исемендәге премия лауреаты, Мәгариф һәм фән министрлыгы Иҗтимагый шурасы әгъзасы, “Диссернет”ка нигез салучыларның берсе

Ләйлә Миңнуллина тәрҗемәсе