Silnik na bakterie?

Ekipa Johna Glassa z J. Craig Venetr Institute w Rockville po raz pierwszy przeprowadziła udaną transplantację całego DNA jednego gatunku bakterii do drugiego, przekształcając w ten sposób drugi w pierwszy. Następnym etapem będzie zapewne podobna transplantacja genomu sztucznego, stworzonego w laboratorium. Ale główny cel badań Instytutu Craiga Ventera jest jeszcze bardziej niezwykły - chodzi bowiem o wyznaczenie dolnej granicy życia, czyli o zdobycie informacji, ile genów (i jakich) potrzeba do samodzielnego życia komórki.

Do badań tych wybrano bakterie, gdyż wirusy trudno uznać za modelowe organizmy żywe. Nie są one bowiem zdolne do egzystencji poza komórkami, na których pasożytują. Przykładowo - fagi atakujące bakterie nie mogą powielać swego DNA bez udziału enzymów swych ofiar. Stąd wiadomo, że do samodzielnego życia potrzebne są komórce geny odpowiedzialne właśnie za przepisywanie informacji genetycznej. Równie ważne są też geny pozwalające na zdobywanie energii, czyli umożliwiające oddychanie, jak i wchłanianie lub produkowanie pokarmu, np. na drodze chemo- czy fotosyntezy, a więc odżywianie. Nie wiadomo jednak, które z tych genów wystarczą i w jakiej kombinacji mogą podtrzymać życie. Jednym zdaniem chodzi o zidentyfikowanie granicy życia samowystarczalnego, a nie opartego na zasobach innych organizmów. Naukowcy chcieliby skonstruować w laboratorium różne wersje takich minimalnych genomów i sprawdzać ich zdolność do podtrzymywania życia dzięki transplantacji do komórki bakterii, z której usunięto jej własne DNA.

Choć idea wydaje się prosta, to do jej zastosowania brakowało biologom warsztatu technologicznego. Udawało się wprawdzie wprowadzać do komórek bakterii nawet dość duże fragmenty DNA, ale nigdy dotąd cały genom. W dodatku trzeba jeszcze jakoś usunąć własne DNA bakterii-biorczyni, tak aby nowy genom mógł funkcjonować samodzielnie. Aby wyjść z tego impasu, ekipa Johna Glassa postanowiła wzorować się na klonowaniu ssaków.

Do doświadczeń użyto mykoplazm - bakterii, które mają stosunkowo mały genom i nie posiadają sztywnej ściany komórkowej, a są otoczone jedynie błoną komórkową, podobnie jak komórki naszego ciała. Glass postanowił wypróbować te same metody, których używają embriolodzy do łączenia ze sobą błon komórkowych w trakcie klonowania zarodków np. myszy czy owcy. Najlepsze wyniki dał glikol polietylenowy, wywołujący fuzję błon.

Użyto dwóch różnych gatunków mykoplazm, które mają cechy pozwalające łatwo odróżnić kolonie obu gatunków. Przykładowo - jeden tworzy kolonie białe, a drugi niebieskie. Dodatkowo u białych mykoplazm wywołano mutacje, które zabijają komórki w środowisku zawierającym antybiotyk. Z gatunku niebieskiego wyizolowano całe genomy w bardzo subtelny sposób, tak by ich nie porozrywać. Oczyszczono je z białek, by w probówce zgromadzić samo nagie DNA. Takie DNA nie jest w stanie przeżyć samoistnie, co skrupulatnie sprawdzono umieszczając preparaty na pożywkach bardzo zasobnych w pokarm. Następnie zmieszano DNA niebieskich mykoplazm z żywymi białymi i potraktowano je glikolem polietylenowym, powodującym fuzję błon bakteryjnych. Po umieszczeniu takiej mieszanki na podłożu zawierającym antybiotyk po kilku dniach zaobserwowano pojawienie się niebieskich kolonii mykoplazmy.

Wytłumaczenie wyników tego eksperymentu jest tylko jedno: białe mykoplazmy przejęły genom mykoplazm niebieskich. To właśnie niebieskie DNA dało początek koloniom o tym kolorze, rosnącym na pożywce z antybiotykiem. Taka transplantacja genomu uwieńczona jest sukcesem niezwykle rzadko. Naukowcy wyliczyli, że w ich najbardziej wydajnych doświadczeniach zdarzyło się to jednej na 150 tys. komórek. Można było je odszukać wyłącznie dzięki temu, że wyjściowe białe mykoplazmy nie są w stanie przeżyć w obecności antybiotyku. W przeciwnym wypadku pożywkę zdominowałyby właśnie zwykłe białe kolonie.

Nie wiadomo też dokładnie, jak dochodzi do pobierania przez komórkę niebieskiego genomu. Podejrzewa się, że następuje to wówczas, gdy pomiędzy dwiema mykoplazmami białymi znajdzie się właśnie genom niebieski i obie komórki połączą swoje błony w taki sposób, że obejmą sobą ten właśnie genom. Powstała w wyniku takiej fuzji komórka zawierałaby co najmniej trzy genomy - dwa białe i jeden niebieski. Teraz dojść musi do usunięcia obu genomów białych, w czym zapewne pomaga obecność antybiotyku zabijającego wszystkie mykoplazmy posiadające wyłącznie biały genom.

Do upragnionego doświadczenia pozwalającego na skuteczną transplantację sztucznie spreparowanych genomów droga jeszcze daleka. Ale pierwsze lody zostały przełamane. Nie wiadomo, czy sztuczka opisana przez Glassa uda się w przypadku innych szczepów bakterii. Szczególnie takich, które otoczone są ścianą komórkową i posiadają większe genomy, a to dotyczy większości komórek bakteryjnych.

A Amerykanie chcieliby, by udało się to z beztlenową bakterią Clostridium. John Glass pracuje nad połączeniem cech dwóch różnych gatunków tych bakterii, tak aby uzyskać hybrydę potrafiącą używać celulozy jako źródła energii i równocześnie przetwarzać ją na alkohol etylowy. Dysponuje on na razie jednym gatunkiem, który rzeczywiście potrafi trawić celulozę, ale niestety robi z niej butanol, i drugim, który też wytwarza etanol, ale niestety nie z celulozy. Glass chciałby skonstruować z obu genomów jeden wspólny i przetransplantować go do innej bakterii, tak jak zrobił z białą i niebieską mykoplazmą. Stworzenie bakterii przekształcającej trawę w paliwo dla samochodów byłoby nie lada sukcesem. Także finansowym.