Поиск новых генов с помощью секвенирования морских проб

(Phys.org) — Массовое секвенирование ДНК улучшило понимание морских микроорганизмов в их среде и помогает обнаруживать новые гены, представляющие интерес. Однако для биотехнологических применений это лишь часть ответа.

Один литр морской воды содержит около миллиарда бактерий. Это представляет как минимум тысячу видов, плюс одноклеточные организмы, отличные от бактерий — протисты, которые составляют планктон, по словам исследователя Даниэля Валло из Биологической станции в Роскофе (Бретань, Франция). Изучение каждого из этих организмов путем массового секвенирования их генома может привести к открытию новых видов. Это также помогает изучать виды, потенциально интересные для фундаментальных исследований происхождения жизни и изменения климата, или для промышленных применений. Именно для повышения осведомленности о возможностях морской геномики среди научного и промышленного сообществ предназначен финансируемый ЕС проект Marine Genomics for Users (MG4U). Его координатор, Бернар Клоарег, директор станции в Роскофе, является активным сторонником морской геномики.

Технологии, которые проект стремится продемонстрировать, включают метагеномику, широко используемую с 2000-х годов. Лишь немногие организмы из проб морской воды можно культивировать в лаборатории для извлечения достаточного количества ДНК для секвенирования генома. Вместо расшифровки каждого генома по отдельности, генетики предложили массово секвенировать всю пробу морской воды за один запуск. Это включает разрезание ДНК, извлеченной из пробы, на тысячи мелких фрагментов, которые затем обрабатываются машинами для высокопроизводительного секвенирования. Поскольку ДНК каждого индивида данного вида разрезается случайно, фрагменты перекрываются, что позволяет восстанавливать более длинные последовательности.

Эта техника не позволяет расшифровать полные геномы, но помогает обнаруживать неизвестные гены, возможно, принадлежащие новым видам. Также она используется для оценки присутствия хорошо изученных генов в образцах. "Для этого исследователям нужно сравнивать свои результаты с огромными базами данных генетических последовательностей", — говорит Валло.

Изначально метагеномика помогала морским биологам изучать взаимосвязь между геномами и их средой и открывать метаболические процессы, релевантные для применений. Например, масштабные кампании по отбору проб проводились экспедициями, такими как Tara Oceans, во время ее кругосветного плавания с 2009 по 2011 год. Последующая программа Oceanomics планирует секвенировать пробы Tara в центре Genoscope в Эври (Франция). Эти пробы могут содержать бактерии или водоросли, в которых есть ферменты, способные разлагать или синтезировать молекулы, интересные для фармацевтики, биотоплива и т.д. Перенося гены, кодирующие интересные ферменты, идентифицированные с помощью метагеномики, в стандартные биопроцессинговые бактерии в биореакторах, эти молекулы можно производить в промышленных масштабах. Но это не так просто.

Хотя потенциальные применения морской метагеномики реальны, они еще не привели к значительным инновациям. "Морская метагеномика не так развита, как 'наземная', используемая, например, в области здоровья человека, потому что инвестиции в морские исследования были ниже. Пока она не дала молекулы, которая стала бы блокбастером", — комментирует Патрик Дюран, руководитель отдела биотехнологий и морских ресурсов Ifremer (Французский исследовательский институт эксплуатации моря, Нант, Франция). Он добавляет: "Может пройти время, прежде чем это произойдет".

Действительно, хотя такие отрасли, как биотехнологическая, жаждут новых применений, метагеномика может быть тем инструментом, который приблизит их к поиску решений. "Биотехнологическая промышленность ищет ферменты, которые будут комбинироваться для синтеза искусственных соединений в промышленных масштабах", — говорит Юрген Эк, генеральный директор биотехнологической компании Brain (Цвингенберг, Германия). Для этой цели метагеномика — полезный инструмент для скрининга биоразнообразия в поисках таких ферментов, поскольку они кодируются небольшим числом генов.

Однако поиск реальных терапевтических решений может быть гораздо сложнее. "Биоактивные соединения, такие как потенциальные противораковые агенты, часто являются продуктом сложных метаболических путей, включающих несколько генов", — объясняет Эк, отмечая, что это затрудняет их клонирование в биопроцессинговые бактерии для производства желаемых соединений. Он добавляет: "В этом случае предпочтительнее улучшение традиционного подхода культивирования организмов".