Международной группе ученых удалось создать стабильный полусинтетический одноклеточный организм, генетический код которого содержит дополнительную пару оснований, не встречающихся в природе. Результаты работы опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Генетическая информация всех живых организмов закодирована в ДНК, состоящей из четырех оснований («букв генетического кода»), формирующих две естественных пары: аденин-тимин (А—Т) и гуанин-цитозин(Г—Ц). Такими парами они соединяются при синтезе двух цепочечной спирали ДНК. Введение в генетический код двух дополнительных синтетических оснований, формирующих третью, неестественную пару (НПО), теоретически могло бы повысить информационную емкость ДНК. Организмы, содержащие такую ДНК, называются полусинтетическими (ПСО).

Структура природной ДНК с двумя парами оснований. Wikimedia Commons

В течение более 15 лет сотрудники Исследовательского института Скриппса проводили поиск подходящей пары оснований, результатом которого стала пара dNaM—d5SICS (d обозначает нуклеозид, в котором основание соединено с дезоксирибозой — сахаром, входящим в структуру ДНК). В отличие от естественных пар, в которых нуклеозиды соединяются водородными связями, эта НПО формируется за счет гидрофобных взаимодействий.

После этого исследователи снабдиликишечную палочку (Escherichia coli) взятым у диатомовой водоросли Phaeodactylumtricornutum мембранным транспортером нуклеотид трифосфатов PtNTT2, который способен доставлять в клетку из окружающей среды синтетические основания в форме трифосфатов (dNaMTP и d5SICSTP). При культивировании на питательной среде, содержащей эти вещества, такие бактерии встроили единственную НПО в одну из плазмид (цитоплазматический фрагмент ДНК, несущий у прокариот дополнительную к основной генетическую информацию) и смогли воспроизводить (реплицировать) ее при делении клетки. Это стало важным подтверждением концепции, однако такие ПСО очень плохо размножались и быстро теряли НПО в последующих поколениях.

В нынешней публикации тот же научный коллектив при участии сотрудников Университета Гренобль-Альпы и Хэнаньского педагогического университета описывает усовершенствованную методику, позволившую создать стабильный ПСО. Во-первых, ученые модифицировали транспортер PtNTT2, работа которого негативно отражалась на жизнеспособности бактерии. Удаление из него фрагмента из 65 аминокислот снизило токсичность, не сказавшись на функциях. Во-вторых, химической модификации подвергли d5SICS. Получившееся основание dTPT3, формирует НПО dNaM—dTPT3, которая значительно лучше сохраняется при репликации.

НПО dNaM—d5SICS и dNaM—dTPT3, сверху для сравнения естественная пара dC—dG. Yorke Zhang et al., PNAS, 2017

Чтобы обеспечить сохранность НПО при делении бактерий,исследователи воспользовались природной системой коррекции бактериального генома CRISPR/Cas9, которая изначально предназначена для защиты от встроившихся в ДНК вирусов. Она ищет в геноме посторонние последовательности, содержащиеся в«библиотеке» CRISPR и вырезает их нуклеазой Cas9. Ученые дополнили CRISPR таким образом, чтобы система удаляла ДНК, утратившую НПО.

Оптимизированные таким способом ПСО демонстрировали стабильный рост на среде, непрерывно поглощали из нее синтетические основания и оказались способны сохранять НПО практически в любых последовательностях. В ходе наблюдения исследователи не зарегистрировали утраты НПО после 60 делений клетки, что позволяет говорить о создании стабильного полусинтетического организма с геномом, состоящим из трех пар оснований.

Практические применения полученного ПСО в настоящее время отсутствуют — ученые лишь добились сохранности дополнительной генетической информации в череде поколений. На следующем этапе работы они планируютнайти способ транскрипции синтетических «букв» генома на РНК, служащую матрицей для синтеза белка.

Ранее научному коллективу под руководством Крейга Вентера удалось создать организм с минимальным возможным геномом, который был получен полностью синтетическим путем. Основой для него стал геном бактерии Mycoplasmamycoides. Его ДНК, синтезированная искусственно, не содержала НПО. Целью эксперимента было создать максимально предсказуемый и эффективный для синтетической биологии организм, которому можно произвольно добавлять новые функции, вводя в геном дополнительные гены.

Автор: Олег Лищук