Биоинженеры определили ключевые гены и функции для поддержания микробной жизни
Новое исследование под руководством биоинженеров из Калифорнийского университета в Сан-Диего определяет основной набор генов и функций, необходимых бактериальной клетке для поддержания жизни. По словам исследователей, эта работа, отвечающая на фундаментальный вопрос о минимальном наборе функций, необходимых для выживания бактериальных клеток, может привести к новым подходам к клеточной инженерии для E. coli и других микроорганизмов.
Результаты опубликованы в онлайн-раннем выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences на неделе 10 августа 2015 года.
Этот основной набор генов — это "наименьший общий знаменатель, который нужен микробам, чтобы стать функциональными", — сказал Бернхард Палссон, профессор биоинженерии в UC San Diego и автор-корреспондент статьи. "Если клетке не хватает любого из генов из этого набора, клетка не может ни функционировать, ни выжить".
По мнению исследователей, эти открытия могут открыть новые пути для приложений клеточной инженерии. Например, рассмотрим генную инженерию микробов для производства ценных химических веществ. Этот процесс инженерии обычно осуществляется путем внесения изменений в генетический состав клетки, что может в конечном итоге затронуть основные гены и функции клетки, приводя к "больной" клетке.
Вместо того чтобы рисковать нарушить основные гены и функции клетки, новый инженерный подход может включать построение клетки, начиная с основного набора и добавляя дополнительные желаемые функции, такие как химическое производство. Статья в PNAS представляет минимальные основные компоненты, которые абсолютно необходимо включить в чертежи инженерной клетки.
"Определив жизненно важный набор генов и функций, которые всегда должны присутствовать в клетке для поддержания жизни, мы можем начать находить новые способы сконструировать клетку для оптимизации производства желаемого продукта без ущерба для здоровья клетки", — сказал Лоуренс Янг, научный сотрудник в Исследовательской группе системной биологии Палссона в UC San Diego и соавтор статьи.
Работа, возглавляемая исследовательской группой Палссона в Школе инженерии Джейкобса UC San Diego, является результатом сотрудничества с экспертами по численным и статистическим методам из Стэнфордского университета.
Определение основного набора генов и функций для клеточной жизни
В этом исследовании ученые определили основной набор генов и функций как "палеом", имея в виду гены и белки предков, которые лежат в основе поддержания жизни микробных клеток.
"Другие подходы пытались определить палеом путем сравнения последовательностей геномов и поиска портфолио генов, которые, казалось, были схожи во всех этих последовательностях. Это просто определяет минимальный геном. Наше определение палеома использует более комплексный подход. Это определение, основанное на системной биологии, которое учитывает не только минимальный набор генов, но и минимальный набор функций, реакций и процессов, необходимых для построения клетки", — сказал Палссон.
Подход команды к определению палеома основан на вычислительной модели клеточного роста в E. coli в масштабе генома. Исследователи разработали эту модель, чтобы учесть все метаболические процессы и процессы экспрессии генов в клетке. Используя эту модель, исследователи смоделировали рост хорошо изученного штамма E. coli в 333 различных условиях роста. В каждом смоделированном условии роста основной источник питательных веществ среды (источник углерода, азота, фосфора или серы) варьировался. Команда наблюдала, какой набор генов постоянно экспрессировался во всех различных средах роста, и использовала этот набор для построения палеома. В общей сложности команда идентифицировала 356 генов, которые экспрессировались во всех этих симуляциях.
"Наше определение палеома репрезентативно для основной функции не только в хорошо изученном штамме E. coli, но и в другом штамме E. coli и трех других микроорганизмах. Мы надеемся использовать этот палеом в качестве стартового набора для быстрого построения нового поколения моделей клеточного роста в масштабе генома для других организмов", — сказал Янг.
"От больших данных к знаниям"
"Это исследование является примером того, что называется исследованием 'от больших данных к знаниям'", — добавил Палссон.
"Мы демонстрируем, что можем брать большие наборы данных, интегрировать их вместе и анализировать, чтобы генерировать знания. В данном случае мы использовали большие объемы экспериментальных данных и интегрировали их в виде вычислительной модели, чтобы прийти к нашему системно-биологическому определению палеома".