В геноме кишечной палочки освободили место под новую информацию

Кишечную палочку Escherichia coli давно уже научили производить человеческие белки для нужд биотехнологии, благо генетический код у нас с ней одинаков. Но что если нам потребуется включить в структуру белка не классические аминокислоты, которые не закодированы в ДНК? Для этих целей международная команда исследователей переписала геном бактерии заново и внесла в него 18 214 правок. В результате в генетическом коде освободились три «места» под новые аминокислоты.

Переписывание генома — важный шаг на пути к созданию искусственной клетки. Ученые по всему миру раз за разом пытаются его усовершенствовать: то выкинут лишние гены, создав так называемый минимальный геном, то, наоборот, добавят новые буквы-нуклеотиды, расширив генетический алфавит.

Параллельно продолжаются попытки оптимизировать сам генетический код, то есть записать в ДНК информацию более экономичным способом. Механизм, который используют для кодирования информации живые организмы, избыточен: на каждую аминокислоту в ДНК приходится от 1 до 6 «слов» (кодонов, последовательностей из трех нуклеотидов), которые могут ее обозначать. Как правило, кодоны для одной аминокислоты похожи и отличаются в основном последними нуклеотидами. Это нужно для страховки информации от мутаций: если один нуклеотид случайно поменяется на другой, это никак не скажется на последовательности итогового белка именно благодаря избыточности кодонов.

Но если мы беремся синтезировать ДНК с нуля и работать с искусственным геномом, то нам мутации не страшны. Поэтому можно попробовать освободить место в генетическом коде, сделав так, чтобы каждой аминокислоте соответствовало меньшее количество кодонов. В ходе предыдущего подобного эксперимента команда американского молекулярного биолога Джорджа Черча попыталась высвободить целых семь кодонов. Ученые заявили, что им удалось заменить целых 62 с лишним тысячи кодонов, однако они подтвердили это далеко не во всех случаях.

Группа исследователей из США, Великобритании и Таиланда поставила перед собой менее масштабную задачу, но подошла к ней более педантично. Они выбрали три кодона, которые собираются «исключить» из ДНК. Затем они проверили, какие из этих кодонов входят в состав нескольких генов одновременно. Иногда последовательность ДНК можно прочесть как в одну сторону, так и в другую, и не всегда границы «слов»-кодонов при этом совпадают. В таких случаях ученые создавали две копии ДНК — для чтения «туда» и «обратно» — и изменяли их независимо.

В итоге исследователи вывели новую последовательность ДНК кишечной палочки и целиком синтезировали ее заново. Чтобы не нарушить жизнеспособность бактерии, ее внедряли по кусочкам. Всю искусственную молекулу ДНК разбили на восемь частей (от А до Н) и c помощью молекулярных ножниц CRISPR-Cas9 встроили в отдельные искусственные хромосомы. Затем их по отдельности внедрили в клетки кишечной палочки, а дальше эти клетки заставили обмениваться последовательностями ДНК. Причем делали это по очереди: сначала клетки с А-фрагментом «скрестили» с клетками с В-фрагментом. Потом проверили, что в некоторых клетках фрагменты успешно соединились. Затем клетки с АВ-участком подсадили к клеткам с С-участком, и так далее.

На финише клетки кишечной палочки несли полноценную синтетическую ДНК. Они были вполне жизнеспособны, практически не отличались от обычных ни формой, ни скоростью роста, ни белковым составом. Более того, если выключить в них ген, ответственный за транспортную РНК, которая должна узнавать «уничтоженные» кодоны, то в жизни клетки ничего не меняется. Это значит, что ученым удалось полностью убрать из генетического кода кишечной палочки несколько «слов», не повлияв на ее жизнеспособность. Следующим шагом должно стать «обучение» бактерии сборке белков с неканоническими аминокислотами.

Источник: chrdk.ru