Исследователи из Лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям Англии успешно создали бактерии E. coli с полностью созданной человеком ДНК, отметив веху в растущей области синтетической биологии и проложив путь к будущим инновациям, основанным на так называемых «дизайнерских» бактериях.,
Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Nature, синтетический геном на сегодняшний день является крупнейшим в своем роде. Модернизированная ДНК, созданная в результате двухлетней исследовательской кампании, состоит из четырех миллионов сегментов - в четыре раза больше, чем предыдущий рекордсмен. Возможно, наиболее впечатляюще, что бактерии содержат всего 61 кодон, в отличие от 64, обнаруженных почти во всех живых существах. Несмотря на это кажущееся несоответствие, синтетические бактерии, похоже, функционируют так же, как нормальные кишечные палочки. Основные отличия, как сообщает Carl Zimmer из New York Times, заключаются в более медленном росте и большей продолжительности.
«Было совершенно неясно, можно ли сделать такой геном таким большим и можно ли его так сильно изменить», - рассказывает соавтор исследования Джейсон Чин, биолог из Кембриджского университета, в журнале Guardian Ian Sample.
Но как объяснил Райану Мандельбауму из Gizmodo Том Эллис, директор Центра синтетической биологии в Имперском колледже Лондона и рецензент исследования, в конечном итоге усилия команды привели к «тур-силе» для области: «Они синтезировали, построил и показал, что синтетический геном в 4 млн пар оснований может работать », - говорит Эллис. «Это больше, чем кто-либо делал раньше».
Чтобы «перекодировать» геном, ученые должны манипулировать 64 кодонами или трехбуквенными комбинациями молекул ДНК A, T, C и G - сокращение от аденина, тимина, цитозина и гуанина - которые питают все живые организмы. Поскольку каждая из трех позиций в кодоне может занимать любую из четырех молекул, существует всего 64 возможных комбинации (4 x 4 x 4). Эти комбинации, в свою очередь, соответствуют определенным аминокислотам или органическим соединениям, которые строят белки, необходимые для жизни. TCA, например, соответствует аминокислотному серину, в то время как AAG определяет лизин. TAA действует как своего рода знак остановки, сигнализируя организму о прекращении добавления аминокислот к развивающемуся белку, объясняет Шарон Бегли из STAT.
Есть еще одна загвоздка в этом и без того сложном процессе: поскольку с генетическим кодом связано всего 20 аминокислот, несколько кодонов могут соответствовать одной кислоте. Серин, например, связан не только с TCA, но и с AGT, AGC, TCT, TCC и TCG. Как пишет Джон Тиммер Ars Technica, несоответствие количества кодонов и аминокислот делает 43 кодонов в значительной степени посторонними. Хотя клетки используют эти дополнительные наборы в качестве стоп-кодов, регуляторных инструментов и более эффективных путей кодирования конкретного белка, факт остается фактом, что многие из них являются избыточными.
Определение того, насколько избыточными были эти дополнительные кодоны, потребовало значительных проб и ошибок. Чин говорит Бегли: «Существует много возможных способов перекодировать геном, но многие из них проблематичны: клетка умирает».
Чтобы создать успешный синтетический геном, Чин и его коллеги заменили каждый экземпляр сериновых кодонов TCG и TCA на AGC и AGT соответственно. Команда также заменила каждый кодон TAG, сигнализирующий об остановке, TAA. В конечном итоге, как отмечает Циммер из New York Times, перекодированная ДНК использовала четыре сериновых кодона, а не четыре и два стоп-кодона, а не три. К счастью, ученым не пришлось выполнять эту работу вручную. Вместо этого они сделали 18 214 замен, обработав код E. coli как огромный текстовый файл и выполнив функцию поиска и замены.
Перенос этой синтетической ДНК в бактерии оказался более сложной задачей. Учитывая длину и сложность генома, команда не смогла ввести его в клетку за одну попытку; вместо этого ученые подошли к работе поэтапно, кропотливо разбивая геном на куски и постепенно пересаживая его в живые бактерии.
Достижения исследователей имеют два аспекта, говорит Чин в интервью Антонио Регаладо из MIT Technology Review . Модифицированный геном не только является «техническим достижением», но и «говорит вам кое-что фундаментальное о биологии и о том, насколько податлив генетический код на самом деле».
Согласно образцу Guardian, исследование может помочь ученым создать устойчивые к вирусу бактерии, предназначенные для использования в биофармацевтической промышленности; E.coli уже используется для производства инсулина и медицинских соединений, которые лечат рак, рассеянный склероз, сердечные приступы и болезни глаз, но благодаря чувствительности несинтетической ДНК к определенным вирусам, производство может быть легко остановлено.
Еще одно ключевое значение исследований сосредоточено на аминокислотах. Как пишет Роланд Пиз из BBC News, использование генома E. coli 61 из 64 возможных кодонов оставляет три открытых для перепрограммирования, открывая дверь для «неестественных строительных блоков», способных выполнять ранее невозможные функции.
Разговаривая с Зиммером, Финн Стирлинг, синтетический биолог из Гарвардской медицинской школы, который не участвовал в новом исследовании, заключает: «Теоретически, вы можете перекодировать что угодно».
