Создан новый метод генетического перепрограммирования бактерий

В качестве "подопытного кролика" исследователи выбрали бактерию кишечной палочки

(фото Eric Erbe/Wikimedia Commons).

Рибосома кишечной палочки. Синий цвет обозначает большую субъединицу, красный ≈ малую

(иллюстрация Vossman/Wikimedia Commons).

Посредством техники MAGE создаются фрагменты ДНК, которые при воздействии на них вирусных ферментов заменяют UAG-кодоны в РНК на UAA-кодоны

(иллюстрация Caroline Davis2010/Flickr).

Авторы нового исследования в области биоинженерии заявили, что их подопытные бактерии "заговорили на новом языке жизни". Если абстрагироваться от метафор, то учёные создали принципиально новую, более тонкую методику перепрограммирования генома бактерий, которая может произвести революцию в области медицины, генетики и производства эффективных лекарств.

Новые модифицированные бактерии, получившие название генетически перекодированные организмы или ГПО, имеют ряд преимуществ перед обычными подопытными генных инженеров. Во-первых, они более устойчивы к существующим вирусам, а во-вторых, не смогут выжить, если каким-то образом покинут лабораторию (это делает их более безопасными для общества и заодно пригодными для коммерческого использования).

Чтобы понять, что же сделали генетики на этот раз, необходимо вспомнить азы. Если представить генетический код в виде некого длинного слова, то записан он всего четырьмя "буквами" (нуклеотидами — аденин, тимин, гуанин, цитозин). По этим "чертежам" клеточные органоиды создают новые белки.

Считывает "буквы" специальная клеточная машина — рибосома. За один раз она использует набор из трёх "букв" — кодон. Кодон представляет своего рода "слово". Последовательность таких "слов" в гене определяет последовательность аминокилот, из которых будет строиться молекула нужного белка (кодируемого считываемым геном).

Способов соединения четырёх "букв" существует 64, но лишь 61 кодон используется для кодирования 20 аминокислот, встречающихся в природе. Это означает, что некоторые кодоны кодируют одну и ту же аминокислоту.

В качестве "подопытного кролика" исследователи выбрали бактерию кишечной палочки (фото Eric Erbe/Wikimedia Commons).

Оставшиеся три комбинации UAG, UAA и UGA (так называемые стоп-кодоны) ответственны за полную остановку копирования информации рибосомой (отмечают конец молекулы белка). На этом этапе, когда аминокислота добавляется к пептидной (будущей белковой) цепи, фактор терминации трансляции связывает цепь и вызывает высвобождения пептида таким образом, чтобы в дальнейшем он мог свернуться и стать собственно белком.

Эту, казалось бы, идеально отлаженную систему команда синтетических биологов из Йельского университета во главе с Фарреном Айзексом (Farren Isaacs) решила несколько изменить, переписав "правила игры".

В рамках эксперимента они взяли клетки кишечной палочки (Escherichia coli) и заменили все UAG-стоп-кодоны на UAA. Помимо этого они удалили инструкции по производству фактора терминации трансляции, который обычно связывается с UAG-кодоном. Поскольку этих кодонов уже не осталось, то процесс оказался попросту бессмысленным.

Затем исследователи придали кодону UAG новые функции. Для этого они создали модифицированные молекулы транспортной РНК (тРНК) и добавили в систему соответствующие ферменты, которые бы прикрепляли неестественные для клетки аминокислоты каждый раз, когда бы сталкивались с кодоном UAG.

 

Учёные создали множество несвойственных организмам аминокислот, но они никак не обрабатываются организмом, так как генетические "инструкции" не позволяют вставить их белки.

Но Айзекс и его команда установили кодоны UAG в определённых локациях внутри генов, и в результате "перепрограммированные" организмы начали встраивать неестественные аминокислоты в свои белки.

"Мы получили организм с новым генетическим кодом. Теперь мы можем создавать целый ряд химически разнообразных белков путем введения совершенно нового массива аминокислот и использования UAG-кодонов", — говорит Айзекс.

Возможных применений у такого метода масса. Аминокислоты могут быть использованы для придания белкам новых свойств, к примеру, способности связываться с металлами. Также можно разработать ферменты, устойчивые к перевариванию в кишечнике, или же активизирующиеся только в присутствии другой молекулы. Это открывает двери в мир совершенно новых лекарственных препаратов, считают авторы исследования.

Рибосома кишечной палочки. Синий цвет обозначает большую субъединицу, красный — малую (иллюстрация Vossman/Wikimedia Commons).

Многим другим группам генетиков уже удавалось модифицировать бактерии, а однажды такой эксперимент даже поставили на насекомых. Их организмы также заставили производить белки, содержащие неестественные аминокислоты. Но у их метода был один существенный недостаток: процесс требовал внедрения в клетку синтетической рибосомы, которая биологически несовместима с природным клеточным механизмом.

Айзекс и его коллеги считают, что их методика может стать альтернативой идеям знаменитого генетика Крейга Вентера, который стремится к созданию полностью синтетической жизни. Вместо того чтобы строить новый геном с нуля, команда предлагает полностью перекодировать уже существующий. Это даст большее биологическое разнообразие, ускорит процесс модификации и обеспечит эффективность и безопасность работы.

В ходе своего эксперимента исследователи использовали технику, называемой мультиплексной автоматической генной инженерией (MAGE). Посредством этой техники создаются одноцепочечные фрагменты ДНК, которые при воздействии на них вирусных ферментов заменяют UAG-кодоны в РНК на UAA-кодоны. Для модификации РНК кишечных палочек учёные воздействовали на клетки электрическим током.

Трансформация проходила в несколько этапов, поскольку не с первого раза удавалось подменить один кодон другим. Для повышения эффективности генетики обратились к ещё одной технике, называемой кэп-анализом экспрессии генов CAGE. Таким образом они объединили штаммы с различными изменениями до тех пор, пока геном не был полностью перекодирован.

Посредством техники MAGE создаются фрагменты ДНК, которые при воздействии на них вирусных ферментов заменяют UAG-кодоны в РНК на UAA-кодоны (иллюстрация Caroline Davis2010/Flickr).

Полученная модифицированная кишечная палочка стала устойчива к большинству известных вирусов, и всё благодаря замене кодонов. Вирусы, как известно, внедряют собственные гены в ДНК хозяйской клетки ради производства вирусных белков. Но любой вирусный ген, содержащий стоп-кодон UAG, больше не будет считываться.

Можно сказать, это отличные новости для учёных, создающих бактерии, которые бы производили нужные белки в промышленных масштабах. При создании пенициллина или биотоплива многие бактерии оказываются заражёнными, из-за чего приходится уничтожать целые чаны биологического материала.

Другое преимущество ГПО заключается в том, что они не смогут выжить в естественных условиях вне лаборатории. Имея стоп-кодоны в неположенных местах, клетки преждевременно прекращают производство белков. К тому же, они не могут жить без неестественной для них аминокислоты.

Исследование пока находится на стадии фундаментальной научной работы, но его авторы уже видят широкое поле для применения новой генно-инженерной методики. Подробности о результатах эксперимента изложены в статье, опубликованной в журнале Science.

Также по теме:
Генетики заставили мух синтезировать не существующие в природе белки
Учёные работают над созданием синтетических дрожжей
Искусственная ДНК изменит мир
Учёные впервые создали бактерию-Франкенштейна
В США ученые совершили прорыв в генетике