Новый генетический код и первая полусинтетическая бактерия

Исследователи из научно-исследовательского института Скриппса (TSRI) в Калифорнии модифицировали бактерию E. coli, введя в код её плазмидной ДНК два новых комплементарных соединения, не встречающихся в природе. Так научная группа получила первый в мире полусинтетический живой организм и навсегда изменила генетику. Одним из авторов работы указан наш соотечественник – научный сотрудник Денис Малышев. Он учился в Московском химическом лицее, после чего закончил Российский Химико-Технологический Университет им. Д.И. Менделеева и эмигрировал в США.

Современных биологов и биохимиков вполне можно считать программистами. Ведь они освоили самый низкоуровневый язык, который только можно представить – генетический код. Прямое вмешательство в него похоже на реверс-инженеринг. Оно стало возможным совсем недавно и совершило настоящий переворот в биотехнологиях.

Норман Борлоуг спас миллиард людей от голодной смерти с помощью селекции (фото: guim.co.uk).

Примерно до восьмидесятых годов XX века селекционеры действовали вслепую, опираясь на внешние признаки и закономерности их наследования. Даже таким несовершенным способом порой совершались удивительные по своим масштабам достижения. К примеру, лауреата Нобелевской премии Нормана Эрнеста Борлоуга называют «отцом Зелёной и Белой революции» за то, что он смог вывести сорта пшеницы и риса с исключительной урожайностью. По данным ООН это уже спасло от голодной смерти около миллиарда человек и помогло сохранить само существование Мексике, Индии и Пакистану.

Иногда метод проб и ошибок приводил к досадным просчётам. Например, кроме повышения урожайности картофеля и томатов новых сортов, в них повышался уровень содержания токсинов, типичных для всего семейства паслёновых. Такие сорта забраковывались, но никто не мог вернуть годы потраченного времени. Проблема сдерживания генетики состоит именно в страхе перед сложными технологиями, а не в опасности самой изменённой ДНК. Ведь абсолютно любой организм (кроме своего собственного) является для нас генетически чужеродным.

Новые биотехнологические методы позволяют избежать подобных ошибок, сразу внося в генотип контролируемые изменения. Помимо растений этот метод широко применяется у бактерий, поскольку кроме собственной ДНК они содержат ещё и удобную для работы плазмидную. Модифицированные штаммы превращаются в завод по производству сложных белков, наиболее востребованных в медицине. Среди них есть инсулин, эритропоэтин, интерферон и другие. По данным ВОЗ, один только генно-инженерный инсулин спасает от тяжёлых осложнений и смерти сотни миллионов человек во всём мире. 

Схема получения инсулина методами генной инженерии (по материалам: discoveryandinnovation.com).

Сегодня качество нашей жизни напрямую зависит от того, как быстро мы сможем разобраться в деталях синтеза белка и научиться управлять этим процессом. Простых методов изменения генома уже недостаточно – требуется расширять сам язык генетического программирования, вводя в него новые операторы. Именно это и сделали в институте Скриппса, объединив результаты научных работ по данной теме за более чем двадцатилетний период.

В природе нуклеиновые кислоты всех живых существ содержат только четыре азотистых основания: гуанин (G), аденин (А), тимин (Т) и цитозин (С) в ДНК, плюс неметилированную форму тимина (урацил – U) в РНК. Каждый участок из трёх последовательно расположенных оснований формирует кодон, в котором и зашифрована команда на синтез определённой аминокислоты, либо сигналы «старт/стоп».

Схема кодирования аминокислот в ДНК (изображение: mpnforum.com).

При большом химическом разнообразии аминокислот как группы веществ, белки любого живого организма состоят всего из двадцати L-альфа-аминокислот. Их положение определяет структуру протеинов и их биологические свойства.

Данный код характеризуется избыточностью: некоторые аминокислоты могут кодироваться разными способами. Например, к синтезу аргинина внутри клетки приведёт запись CG*, где * – любое третье основание. Поэтому, несмотря на трёхбуквенную систему, в процессе биосинтеза белка образуются не 64=4³, а всего двадцать разных вариантов аминокислот. Редко встречающиеся селеноцистеин, пирролизин и другие «нестандартные» альфа-аминокислоты не нарушают этого правила. Они выпадают из общего списка, так как образуются иначе – путём модификации одной из основных аминокислот уже после её синтеза.

В лабораторных условиях помимо AT(U)GC можно использовать и другие кодирующие молекулы – такие, как d5SICS и dNaM. Добавление всего пары синтетических соединений к стандартному набору азотистых оснований фактически создаёт новый генетический алфавит. С его помощью можно закодировать биосинтез уже не двадцати, а ста семидесяти двух аминокислот. Число новых вариантов белка, который можно синтезировать из них, становится просто астрономическим.

Всего два новых соединения расширяют диапазон биосинтеза возможных аминокислот с 20 до 172 (изображение: cen.acs.org).

«В принципе, мы могли бы кодировать совершенно новые белки, сделанные из не встречающихся в природе аминокислот, – поясняет руководитель группы Флойд Ромсберг (Floyd E. Romesberg). – Это дало бы нам бо?льшую власть, чем когда-либо. Мы могли бы адаптировать технологию для создания белковых терапевтических и диагностических средств, лабораторных реагентов и многого другого. Такие аспекты применения, как наноматериалы, тоже возможны».

Синтетические нуклеотиды d5SICS и dNaM связываются через гидрофобные взаимодействия, в то время как природные образуют водородные связи. Это не мешает использовать их для расширения генетического алфавита, но создаёт ряд преодолимых трудностей.

Сравнение связей синтетических (d5SICS-dNaM) и природных (C-G) нуклеотидов (изображение: nature.com).

Экспериментальный штамм бактерий с изменённым генотипом содержит эти два новых нуклеотида и сохраняет жизнеспособность, однако пока не даёт потомства самостоятельно. Для размножения модифицированных бактерий требуется ряд ручных манипуляций с раствором – таких, как добавление фосфатных соединений, получаемых из водорослей.

«Важно отметить, что это также обеспечивает контроль над системой, – говорит Денис Малышев. – Наши новые нуклеотиды могут поступать в клетку только при помощи белков-переносчиков. Без них клетка вернётся к стандартному набору ATGC, а соединения d5SICS и dNaM исчезнут из её генома».

Авторы исследования рассчитывают, что в дальнейшем найдётся способ создать полностью синтетический и способный к размножению штамм бактерий. Для этого требуется аналогичным способом расширить «алфавит» РНК и, возможно, изменить сами рибосомы.