Микоплазмы: история открытия и изучения: после 1960 г.
Начало современной истории изучения микоплазм связано с реализацией в 60-х г. проекта по выявлению на Земле самых простых форм жизни и проверке концепции "минимальной клетки". Суть концепции состоит в том, что живая клетка, способная к самовоспроизведению, должна содержать некоторое минимальное количество макромолекул. По физическим соображениям, это количество молекул (включая воду) может разместиться в объеме шарика радиусом не менее 0.3 мкм. Этому объему соответствует средний размер клетки микоплазмы.
В 60-е годы одним из увлекательных предложений, поддержанных NASA (National Aeronautics and Space Administration), был noиск внеземных форм жизни. Предположение, что такие живые формы должны быть очень простыми, побудило профессора Г. Моровитца (Н. Morowitz) обратиться к научной общественности с предложением найти самые простые, самые малые по размеру самореплицируюшиеся организмы на нашей планете. Профессор М. Туртелотт (M. Tourtellott) первым указал на микоплазмы как самые малые из самореплицирующихся организмов. Эти два исследователя опубликовали статью в журнале "Scientific American" о микоплазмах как простейших формах жизни на Земле ( Morowitz, Tourtellotte, 1962 ) и при поддержке NASA организовали первую конференцию по молекулярной биологии микоплазм, участники которой были очарованы идеей сборки живой клетки из ее компонентов.
Клетки микоплазм, имеющие минимальный набор органелл (плазматическая мембрана, рибосомы и кольцевая двуцепочечная ДНК - типичная хромосома прокариот), были выбраны объектом эксперимента. Этот проект дал импульс развитию мембранологии ( Razin, 1972 ). In vitro удалось создать везикулярные мембранные структуры из растворенных компонентов мембран микоплазм ( Razin et al., 1965 ). Однако собранные таким образом мембраны отличались от нативных своей молекулярной структурой и функциональной активностью.
Г. Моровитц в 1984 г. на Конгрессе Международного общества микоплазмологов предложил проект определения всех белков, нуклеиновых кислот и клеточных реакций, знание которых позволило бы проверить догму молекулярной биологии о конечности "логики жизни", ее относительной простоте и доступности для исчерпывающего описания ( Morowitz, 1984 ). Для достижения этой цели автор проекта призвал к объединению усилий биологов всех стран. Несмотря на то, что проект не содержал существенных принципиальных или методологических трудностей, было ясно, что выполнение его потребует гигантской работы, включая поиск многих новых решений. Предлагаемый план состоял в физическом и функциональном картировании генома, его полном секвенировании, в определении открытых рамок считывания и прочтении аминокислотных последовательностей, т. е. в определении всех генов и их продуктов и соответственно в описании всего метаболизма клетки.
Предложение Г. Моровитца было встречено участниками Конгресса с энтузиазмом. Однако для решения соответствующих задач международного сотрудничества не сложилось. Вместо этого сотрудники отдельных лабораторий приступили к выполнению независимых проектов по секвенированию и картированию геномов разных микоплазм. Поток публикаций в начале 90-х годов ( Razin, 1992 ; Bove, 1993 ; Razin, 1995 ) по картированию генома и секвенированию его отдельных фрагментов с попытками идентификации генов, расположенных на этих фрагментах, свидетельствовал об интенсивной работе исследователей в данном направлении.
Первый крупномасштабный проект по прочтению всего генома микоплазмы был начат в 1990 г. в Гарвардской геномной лаборатории. Однако выбор объекта - M. capricolum - оказался неудачным, отчасти по причине сравнительно большого размера генома этой микоплазмы (более 1000 т. п. о.). В 1995 г., когда финансирование проекта было завершено, только 20 % генома было секвенировано и проанализировано ( Bork et al., 1995 ). В этой работе впервые были получены данные о значительной части генома M. capricolum, однако обобщение неполных данных могло бы привести к ошибочным выводам.
В Лаборатории молекулярной биологии (Гейдельбергский университет) под руководством профессора Р. Геррманна (R. Herrmann) для секвенирования был выбран геном M. pneumoniae размером около 800 т. п. о. За три года напряженной работы лаборатории поставленная задача была решена ( Himmelreich et al., 1996 ). Авторы впервые сконструировали космидную библиотеку, а затем секвенировали космиды и расположили их в исходном порядке, так что геном M. pneumoniae был неоднократно прочтен в обоих направлениях ( Himmelreich et al., 1996 ). Однако группа Р. Геррманна оказалась не первой, представившей полную нуклеотидную последовательность генома микоплазмы.
До конца 1994 г. многие молекулярные биологи полагали, что первым полностью прочитанным геномом будет геном бактерии Escherichia coli размером 4720 т. н. п., но первым был прочтен геном бактерии Haemophilus influenzas длиной 1830 т. н. п. ( Fleischmann et al., 1996 ) в Институте геномных исследований (TIGR), который являлся одним из главных исполнителей международной программы "Геном человека" . Почти одновременно сотрудники этого института приступили к расшифровке генома микоплазмы - M. genitalium . Эффективность работы команды по секвенированию генома M. genitalium была обеспечена мощью секвенирующего и информационного оборудования TIGR. Первая экстракция ДНК из клеток M. genitalium была выполнена в начале января 1995 г., а результаты определения полной нуклеотидной последовательности генома и ее анализ были представлены в журнале "Science" уже к 11 августа 1995г. ( Fraser et al., 1995 ). Это стало возможным в результате применения стратегии "shotgun" к целому геному без предварительного построения и упорядочения космид.
Выстраивание тысяч фрагментов ДНК в нужном порядке было осуществлено с помощью компьютерной программы, разработанной в TIGR, а предсказание кодирующих районов генома было сделано в результате использования комплекта программ Gene Mark с учетом всех имевшихся к тому времени баз данных ( Franzoso et al., 1994 ; Fleischmann et al., 1995 ; Fraser et al., 1995 ).
Геном M. genitalium, являясь самым малым среди микоплазм (и, таким образом, самым малым среди известных свободноживущих организмов), представляет особый интерес. Предполагают, что этот геном содержит минимальный набор генов, необходимых для независимой жизни.
Вскоре после опубликования полной нуклеотидной последовательности геномов M. genitalium и Н. influenfae появилась полная последовательность генома M. pneumoniae , а в начале 2001 г. была представлена нуклеотидная последовательность генома еще одной микоплазмы - Ureaplasma urealyticum , что позволило описать клеточные процессы микоплазм в терминах молекулярной биологии, а также провести сравнительный анализ полных геномов микроорганизмов и выявить особенности их эволюции.
Смотрите также:
