№16 Новий генетичний код і перша напівсинтетичні бактерія
Вчені з науково-дослідного інституту Скріппса (TSRI) в Каліфорнії модифікували бактерію E. coli, ввівши в код її плазмідної ДНК два нових комплементарних з`єднання, які не зустрічаються в природі. Так наукова група отримала перший в світі напівсинтетичний живий організм і назавжди змінила генетику. Одним з авторів роботи вказано наш співвітчизник - науковий співробітник Денис Малишев. Він навчався в Московському хімічному ліцеї, після чого закінчив Російський хіміко-технологічний університет ім. Д. І. Менделєєва і емігрував в США.
Сучасних біологів і біохіміків цілком можна вважати програмістами. Адже вони освоїли самий низькорівневий мову, який тільки можна уявити, - генетичний код. Пряме втручання в нього схоже на реверс-інжиніринг. Воно стало можливим зовсім недавно і вчинила справжній переворот в біотехнологіях.
Норман Борлоуг врятував мільярд людей від голодної смерті за допомогою селекції (фото: guim.co.uk).
Приблизно до вісімдесятих років XX століття селекціонери діяли наосліп, спираючись на зовнішні ознаки і закономірності їх успадкування. Навіть таким неоптимальним способом часом відбувалися дивні за своїми масштабами досягнення. Наприклад, лауреата Нобелівської премії Нормана Ернеста Борлоуга називають «батьком Зеленої та Білої революції» за те, що він зміг вивести сорти пшениці і рису з винятковою врожайністю. За даними ООН, це вже врятувало від голодної смерті близько мільярда людей і допомогло зберегти саме існування Мексики, Індії та Пакистану.
Іноді метод проб і помилок приводив до прикрих прорахунків. Наприклад, крім підвищення врожайності картоплі і томатів нових сортів, в них підвищувався рівень вмісту токсинів, типових для всього сімейства пасльонових. Такі сорти забраковивается, але ніхто не міг повернути роки витраченого часу. Проблема стримування генетики полягає саме в страху перед складними технологіями, а не в небезпеці самої зміненої ДНК. Адже абсолютно будь-який організм (крім свого власного) є для нас генетично чужорідним.
Нові біотехнологічні методи дозволяють уникнути подібних помилок, відразу вносячи в генотип контрольовані зміни. Крім рослин, цей метод широко застосовується у бактерій, оскільки, крім власної ДНК, вони містять ще й зручну для роботи плазмидную. Модифіковані штами перетворюються в завод з виробництва складних білків, найбільш затребуваних в медицині. Серед них є інсулін, еритропоетин, інтерферон та інші. За даними ВООЗ, один тільки генно-інженерний інсулін рятує від важких ускладнень і смерті сотні мільйонів людей в усьому світі.
Схема отримання інсуліну методами генної інженерії (за матеріалами: discoveryandinnovation.com).
Сьогодні якість нашого життя прямо залежить від того, як швидко ми зможемо розібратися в деталях синтезу білка і навчитися управляти цим процесом. Простих методів зміни геному вже недостатньо: потрібно розширювати сама мова генетичного програмування, вводячи в нього нові оператори. Саме це і зробили в інституті Скріппса, об`єднавши результати наукових робіт з даної теми за більш ніж двадцятирічний період.
У природі нуклеїнові кислоти всіх живих істот містять тільки чотири азотистих підстави: гуанін (G), аденін (А), тимін (Т) і цитозин (С) в ДНК, плюс неметілірованную форму тиміну (урацил - U) в РНК. Кожна ділянка з трьох послідовно розташованих підстав формує кодон, в якому і зашифрована команда на синтез певної амінокислоти, які сигнали «старт / стоп».
Схема кодування амінокислот в ДНК (зображення: mpnforum.com).
При великому хімічному різноманітності амінокислот як групи речовин, білки будь-якого живого організму складаються всього з двадцяти L-альфа-амінокислот. Їх положення визначає структуру протеїнів і їх біологічні властивості.
Даний код характеризується надмірністю: деякі амінокислоти можуть кодуватися різними способами. Наприклад, до синтезу аргініну всередині клітини призведе запис CG *, де * - будь-яка третя підстава. Тому, незважаючи на трибуквених систему, в процесі біосинтезу білка утворюються не 64 = 43, а всього двадцять різних варіантів амінокислот. Рідко зустрічаються селеноцистеїн, піролізин і інші «нестандартні» альфа-амінокислоти не порушують цього правила. Вони випадають із загального списку, так як утворюються інакше - шляхом модифікації однієї з основних амінокислот вже після її синтезу.
У лабораторних умовах, крім AT (U) GC, можна використовувати і інші кодують молекули - такі як d5SICS і dNaM. Додавання всього пари синтетичних сполук до стандартного набору азотистих основ фактично створює новий генетичний алфавіт. З його допомогою можна закодувати біосинтез вже не двадцяти, а ста сімдесяти двох амінокислот. Число нових варіантів білка, який можна синтезувати з них, стає просто астрономічним.
Всього два нових з`єднання розширюють діапазон біосинтезу можливих амінокислот з 20 до 172 (зображення: cen.acs.org).
«В принципі, ми могли б кодувати абсолютно нові білки, зроблені з не зустрічаються в природі амінокислот, - пояснює керівник групи Флойд Ромсберг (Floyd E. Romesberg). - Це дало б нам велику владу, ніж коли-небудь. Ми могли б адаптувати технологію для створення білкових терапевтичних і діагностичних засобів, лабораторних реагентів і багато чого іншого. Такі аспекти застосування, як наноматеріали, теж можливі ».
Синтетичні нуклеотиди d5SICS і dNaM зв`язуються через гідрофобні взаємодії, в той час як природні утворюють водневі зв`язки. Це не заважає використовувати їх для розширення генетичного алфавіту, але створює ряд подоланні труднощів.
Порівняння зв`язків синтетичних (d5SICS-dNaM) і природних (C-G) нуклеотидів (зображення: nature.com).
Експериментальний штам бактерій зі зміненим генотипом містить ці два нових нуклеотиду і зберігає життєздатність, проте поки не дає потомства самостійно. Для розмноження модифікованих бактерій потрібно ряд ручних маніпуляцій з розчином - таких як додавання фосфатних сполук, одержуваних з водоростей.
«Важливо відзначити, що це також забезпечує контроль над системою, - каже Денис Малишев. - Наші нові нуклеотиди можуть надходити в клітку тільки за допомогою білків-переносників. Без них клітина повернеться до стандартного набору ATGC, а з`єднання d5SICS і dNaM зникнуть з її генома ».
Автори дослідження розраховують, що в подальшому знайдеться спосіб створити повністю синтетичний і здатний до розмноження штам бактерій. Для цього потрібно аналогічним способом розширити «алфавіт» РНК і, можливо, змінити самі рибосоми.
