Создание полностью искусственных организмов с появлением нанобиотехнологий уже перестает быть фантастикой. Огромный прогресс в коммерческой биотехнологии, многократное удешевление и ускорение синтеза "на заказ" генетических конструкций и белков значительным образом способствует развитию этого направления. Отдельный интерес представляют вирусы, которые не только могут быть весьма болезнетворными, но и использоваться практически, например, при доставке лекарств и т.д.
Что такое вирус и каков его типичный размер (2 балла)?
Вирус – неклеточная примитивная форма жизни, представляющая собой нуклеопротеидную частицу. Вирусы являются облигатными паразитами — они не способны размножаться вне клетки, не имеют собственных ферментативных систем, обеспечивающих энергетический обмен, процессы синтеза и распада веществ. Вирусы состоят из нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК), заключенной в белковую оболочку (капсид). Многие вирусы имеют дополнительную оболочку, окружающую капсид. Она состоит из липидной мембраны с встроенными в нее гликопротеиновыми комплексами. Очень часто дополнительная оболочка вируса построена из мембранного материала зараженной клетки. Размеры различных вирусов колеблются от 20 (пикорнавирусы) до 500 (мимивирусы) и более нанометров.
Можно ли создать искусственный вирус, например, искусственный вирус полиомиелита, генетический материал которого был бы составлен из химически синтезированных нуклеотидов или олигонуклеотидов? (2 балла)
Можно, т.к. вирус полиомиелита является РНК-содержащим пикорновирусом примитивного строения. Геномная РНК представлена в виде одноцепочечной плюс-цепи РНК, имеет длину около 7500 пар нуклеотидов и кодирует 9 белков. Вирусная частица состоит из молекулы РНК и белкового капсида [Cello J, Paul AV, Wimmer E. Chemical synthesis of poliovirus cDNA: generation of infectious virus in the absence of natural template. Science. 2002, 297(5583):1016-1018].
Если ввести этот искусственный вирус лабораторным животным, сможет ли он вызывать полиомиелит? (2 балла)
Сможет, т.к. строение этого вируса полностью определяет его функциональность. Однако, далеко не у каждого лабораторного животного этот вирус сможет вызвать заболевание. а только у обезьян. У обезьян, как и у человека в плазматических мембранах нервных и некоторых других клеток присутствует особый белок, который является рецептором для вируса полиомиелита. Однако, специальных трансгенных мышей, мембраны нервных клеток которых несут этот белок-рецептор, искусственный вирус может "заразить" [Cello J, Paul AV, Wimmer E. Chemical synthesis of poliovirus cDNA: generation of infectious virus in the absence of natural template. Science. 2002, 297(5583):1016-1018].
Какие методы лучше использовать для создания других компонентов вирусной частицы (вируса полиомиелита) за исключением нуклеиновых кислот: генетической инженерии или химического синтеза? (1 балл)
Нужно использовать методы генетической инженерии: необходимо трансфецировать культивируемые опухолевые клетки человека или обезьяны РНК вируса, после чего произойдет сборка вирусной частицы из белков, синтезированных на РНК вируса.
Опишите схему создания этих компонентов для следующих вирусов: а) вируса полиомиелита (2 балла), б) вируса герпеса (2 балла), в) ВИЧ (2 балла).
а) трансфекция культивируемых опухолевых клеток человека или обезьяны РНК вируса, белки капсида и РНК-полимераза синтезируются в цитоплазме культивируемых клеток на РНК вируса с использованием аппарата трансляции клетки;
б) трансфекция культивируемых опухолевых клеток млекопитающих ДНК вируса, синтез РНК на ДНК вируса с использованием ферментативного аппарата транскрипции клетки, синтез вирусных белков в цитоплазме культивируемых клеток на синтезированной РНК с использованием аппарата трансляции клетки, сборка вирусной частицы, выход частицы из клетки путем почкования с захватом плазматической мембраны клетки;
в) синтез ДНК на РНК вируса при помощи обратной транскриптазы вируса in vitro, трансфекция культивируемых опухолевых клеток человека синтезированной ДНК, синтез мРНК на РНК вируса на синтезированной ДНК с использованием ферментативного аппарата транскрипции клетки, синтез вирусных белков в цитоплазме культивируемых клеток на синтезированной РНК с использованием аппарата трансляции клетки, сборка вирусной частицы, выход частицы из клетки путем почкования с захватом плазматической мембраны клетки;
Творческий вопрос. Ответ не исчерпывается приведенными схемами. Имеют место многие другие варианты синтеза компонентов искусственного вируса.
Как Вы думаете, искусственный геном каких организмов создать проще – ВИЧ или бактерии Mycoplasma genitalium? Обоснуйте свой ответ. (3 балла)
