Mycoplasma laboratorium або Synthia (бактерія Синтія) — штучно синтезований штам бактерії. Проєкт побудови нової бактерії розвивався з моменту її створення. Спочатку метою було виявити мінімальний набір генів, необхідний для підтримки життя з геному Mycoplasma genitalium і синтезувати ці гени синтетично, щоб створити «новий» організм. Mycoplasma genitalium спочатку була обрана як основа для цього проєкту, оскільки на той час у неї була найменша кількість генів з усіх проаналізованих організмів. Пізніше, фокус перемикнувся на Mycoplasma mycoides і застосування підходу «спроб і помилок».

Щоб визначити мінімальний набір генів, необхідний для підтримки життя, кожен з 482 генів M. genitalium був індивідуально видалений і життєздатність отриманого мутанта перевірена. Це призвело до визначення мінімального набору з 382 генів, які теоретично повинні представляти мінімальний геном. У 2008 році повний набір генів M. genitalium був побудований в лабораторії з додаванням «водяних знаків» для ідентифікації генів як синтетичних. Однак M. genitalium росте надзвичайно повільно і М. mycoides було обрано як нову ціль, щоб прискорити експерименти, спрямовані на визначення набору генів, фактично необхідного для росту.

У 2010 році повний геном M. mycoides був успішно синтезований з комп'ютерних записів і пересаджений в існуючу клітину Mycoplasma capricolum, в якої було видалено ДНК. За підрахунками, синтетичний геном, використаний для цього проєкту, коштував 40 мільйонів доларів США та 200 людино-років. Нова бактерія була здатна рости і отримала назву JCVI-syn1.0, або Synthia. Після додаткових експериментів з виявлення меншого набору генів, який міг би продукувати функціональний організм, виготовлено JCVI-syn3.0, що містить 473 гени. 149 з цих генів мають невідому функцію. Оскільки геном JCVI-syn3.0 є новим, його вважають першим справді синтетичним організмом.

Проєкт мінімального геному Виготовлення Synthia є замислом у галузі синтетичної біології, реалізованим в Інституті Дж. Крейга Вентера групою з приблизно 20 вчених на чолі з Нобелівським лауреатом Гемілтоном Смітом, яка містила також дослідника ДНК Крейга Вентера та мікробіолога Клайда А. Гатчісона III. Загальною метою є зведення живого організму до найнеобхіднішого в ньому і, таким чином, з'ясування того, що потрібно для побудови нового організму з нуля. Спершу увага була зосереджена на бактерії M. genitalium, облігатному внутрішньоклітинному паразиті, геном якого містить 482 гени, які утворені 582970 пар основ, розташованих в одній кільцевій хромосомі (на момент початку проєкту це був найменший геном серед усіх відомих у природних організмів, які можна вирощувати у культурі вільних клітин). Вони використовували транспозоновий мутагенез, щоб визначити гени, які не були необхідними для росту організму, що призвело до виявлення мінімального набору з 382 генів. Цей замисел відомий як проєкт мінімального геному.

2021: створено просту синтетичну клітину JCVI-syn3A.

Вибір організму Мікоплазма

Mycoplasma — рід бактерій класу Mollicutes у відділі Tenericutes, що характеризується відсутністю клітинної стінки (що робить її грам-негативною) через паразитичний або коменсальний спосіб життя. У молекулярній біології цьому роду приділяють багато уваги як через те, що він є сумнозвісним важко викорінюваним забруднювачем у культурах клітин ссавців (він несприйнятливий до бета-лактамних та інших антибіотиків)Young L, Sung J, Stacey G, Masters JR. "Detection of Mycoplasma in cell cultures". Nat Protoc. 2010 5(5): 929–34. Epub 2010 Apr 22., так і через можливість потенційного використання його як модельного організму через невеликий розмір його геному. Вибір роду для проєкту Synthia датується 2000-м роком, коли Карл Райх придумав фразу Mycoplasma laboratorium.

Інші організми з малими геномами Станом на 2005 рік, Pelagibacter ubique (α-протеобактерія порядку Rickettsiales) мав найменший відомий геном (1 308 759 пар основ) серед будь-яких вільних живих організмів і є однією з найменших відомих самовідтворювальних клітин. Це, мабуть, найчисленніша бактерія у світі (можливо 1028 окремих клітин) і, за оцінками, разом з іншими членами клади SAR11, вони складають від чверті до половини всіх бактеріальних або археальних клітин в океані. Вона була ідентифікована у 2002 році за послідовностями рРНК і була повністю секвенована у 2005 році. Надзвичайно важко вирощувати види, які не досягають високої щільності росту в лабораторній культурі. Кілька нещодавно відкритих видів мають менше генів, ніж M. genitalium, але не є вільноживучими: багато важливих генів, яких немає у Hodgkinia cicadicola, Sulcia muelleri, Baumannia cicadellinicola (симбіонти цикад) та Carsonella ruddi (симбіонт листоблішки Pachypsylla venusta) можуть кодуватися в ядрі хазяїна. Організмом з найменшим відомим набором генів станом на 2013 рік була Nasuia deltocephalinicola, облігатний симбіонт. Він має лише 137 генів і розмір геному 112 тисяч пар основ .

видова назва кількість генів розмір (т.п.о.) Candidatus Hodgkinia cicadicola Dsem 169 0.14 Candidatus Carsonella ruddii PV 182 0.16 Candidatus Sulcia muelleri GWSS 227 0.25 Candidatus Sulcia muelleri SMDSEM 242 0.28 Buchnera aphidicola str. Cinara cedri 357 0.4261 Mycoplasma genitalium G37 475 0.58 Candidatus Phytoplasma mali 479 0.6 Buchnera aphidicola str. Baizongia pistaciae 504 0.6224 Nanoarchaeum equitans Kin4-M 540 0.49

Техніки Для проєкту потрібно було розробити або адаптувати кілька лабораторних технік, оскільки він потребував синтез та маніпуляції з дуже великими ділянками ДНК. Трансплантація бактеріального геному У 2007 році команда Вентера повідомила, що їм вдалося перенести хромосому виду Mycoplasma mycoides до Mycoplasma capricolum шляхом: виділення геному M. mycoides: м’який лізис клітин, що потрапили в агар - розплавлений агар, змішаний з клітинами та залишений для утворення гелю, з подальшим електрофорезом в пульсувальному полі та виділення смуги правильного розміру (кільцева; 1,25 тисячі пар основ); створення компетентних клітин-реципієнтів M. capricolum: ріст у збагачених середовищах супроводжувався голодуванням у збіднених середовищах, де нуклеотидне голодування призводить до інгібування реплікації ДНК та зміни морфології; і поліетиленгліколь-опосередкована трансформація кільцевої хромосоми до клітин, що не містять ДНК, з подальшим відбором. Термін трансформація використовується для позначення вставлення вектора в бактеріальну клітину (електропорацією або тепловим шоком). Тут, термін трансплантація застосовується як ядерна трансплантація.

Синтез бактеріальної хромосоми У 2008 році група Вентера описала виготовлення синтетичного геному, копії послідовності L43967 M. genitalium G37, за ієрархічною стратегією: Синтез → 1 тисячі пар основ (т.п.о.): Геномна послідовність була синтезована Blue Heron у 1078 касетах 1080 п.о. із перекриттям 80 п.о. і сайтами рестрикції NotI (неефективна, але рідкісна рестриктаза). Лігування → 10 т.п.о.: 109 груп серії з 10 послідовних касет лігували та клонували в E. coli в плазміді й правильну перестановку перевіряли секвенуванням. Мультиплексна ПЛР → 100 т.п.о.: 11 груп серії з 10 послідовних 10 т.п.о. збірок (вирощених на дріжджах) об'єднували мультиплексною ПЛР, використовуючи пару праймерів для кожної 10 т.п.о. збірки. Виділення та рекомбінація → вторинні вузли були виділені, з’єднані та трансформовані в дріжджові сферопласти без векторної послідовності (присутній у збірці 811-900). Геном цього результату 2008 року, M. genitalium JCVI-1.0, опублікований на GenBank як CP001621.1. Його не слід плутати з пізнішими синтетичними організмами, позначеними як JCVI-syn, на основі M. mycoides .

Синтетичний геном У 2010 році Вентер та його колеги створили штам Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 із синтетичним геномом. Спочатку синтетична конструкція не працювала, щоб точно визначити помилку, що призвела до затримки всього проєкту на 3 місяці, була створена серія напівсинтетичних конструкцій. Причиною збою був однонуклеотидний зсув рамки зчитування в DnaA, факторі ініціації реплікації.

Метою побудови клітини з синтетичним геномом було випробування методології як кроку до створення модифікованих геномів у майбутньому. Використання природного геному як шаблону мінімізувало потенційні джерела невдач. Кілька відмінностей є у Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 щодо референсного геному, зокрема транспозон IS1 E.coli (інфекція зі стадії 10 т.п.о.) і дублювання 85 п.о., а також елементи, необхідні для розмноження в дріжджах та залишки з сайтів рестрикції.

Існували суперечки щодо того, чи JCVI-syn1.0 є справжнім синтетичним організмом. Хоча геном синтезувався хімічно у багатьох ділянках, він був сконструйований так, щоб тісно відповідати батьківському геному і пересаджувався в цитоплазму природної клітини. ДНК сама по собі не може створити життєздатну клітину: білки та РНК необхідні для зчитування ДНК, а ліпідні мембрани - для компартменталізації ДНК та цитоплазми. У JCVI-syn1.0 два види, що використовуються як донор і реципієнт, належать до одного роду, зменшуючи потенційні проблеми невідповідності між білками в цитоплазмі хазяїна та новим геномом. Пол Кейм (молекулярний генетик з Університету Північної Аризони у Флегстаффі) зазначив, що «попереду великі виклики, перш ніж генні інженери зможуть змішувати, поєднувати та повністю проєктувати геном організму з нуля». Водяні знаки

Значно розрекламованою особливістю JCVI-syn1.0 є наявність послідовностей «водяних знаків». 4 водяні знаки (показано на Рисунку S1 у додатковому матеріалі статті) — це закодовані повідомлення, записані в ДНК, довжиною 1246, 1081, 1109 та 1222 пар основ відповідно. Ці повідомлення не використовували стандартний генетичний код, в якому послідовності 3 основ ДНК кодують амінокислоти, а новий код, винайдений для цієї мети, який читачам було запропоновано розв'язати. Вміст «водяних знаків» такий: Водяний знак 1: HTML-скрипт, який читається в браузері як текст, що вітає декодера, та інструкції щодо того, як надіслати авторам електронний лист для підтвердження декодування. Водяний знак 2: список авторів та цитата Джеймса Джойса: «Жити, помилятися, падати, тріумфувати, відтворювати життя поза життям». Водяний знак 3: більше авторів та цитата Роберта Оппенгеймера (не вказаний): «Бачити речі не такими, як вони є, а такими, якими вони можуть бути». Водяний знак 4: більше авторів та цитата Річарда Фейнмана: «Те, що я не можу побудувати, я не можу зрозуміти». JCVI-syn3.0

У 2016 році Інститут Вентера використав гени з JCVI-syn1.0 для синтезу меншого геному, який вони називають JCVI-syn3.0, який містить 531560 пар основ і 473 гениFirst Minimal Synthetic Bacterial Cell. Astrobiology Web. March 24, 2016.. У 1996 році, порівнявши M. genitalium з іншою невеликою бактерією Haemophilus influenza, Аркадій Мушегян та Євген Кунін припустили, що може існувати загальний набір з 256 генів, який може бути мінімальним набором генів, необхідним для життєздатності. У цьому новому організмі кількість генів можна зменшити лише до 473, 149 з яких мають функції, які абсолютно невідомі. У 2019 році була опублікована повна обчислювальна модель усіх шляхів у клітині Syn3.0, що представляє першу повну модель in silico для живого мінімального організму.

JCVI-syn3A

JCVI-syn3B

Проблеми та суперечки Сприйняття 6 жовтня 2007 року Крейг Вентер заявив в інтерв'ю британській газеті The Guardian, що ця ж команда хімічно синтезувала модифіковану версію єдиної хромосоми Mycoplasma genitalium. Синтезований геном ще не був пересаджений в робочу клітину. Наступного дня канадська група з біоетики, ETC Group опублікувала заяву через свого представника, Пата Муні, сказавши, що «творіння» Вентера — це «шасі, на якому можна побудувати майже все. Це може бути внеском у людство, таким як нові ліки або величезна загроза людству, така як біозброя». Вентер прокоментував: «Ми маємо справу з великими ідеями. Ми намагаємось створити нову систему цінностей для життя. Коли маєте справу в такому масштабі, ви не можете очікувати, що всі будуть щасливі».