Биологи из Гарварда, MIT и нескольких других американских институтов рассказали о работе над полногеномной заменой генетического кода у кишечной палочки. В перспективе, это позволит создать специальную «искусственную» бактерию, которая неспособна размножаться вне пределов лаборатории и при этом полностью устойчива ко всем существующим вирусам. Работа группы под руководством Джорджа Черча пока далека от завершения, однако уже опубликована в Science.

Генетический код определяет соответствие между последовательностью нуклеотидов в генах и теми аминокислотами, из которых строятся белки на основе этих генов. Каждые три нуклеотида (кодон) кодируют одну аминокислоту. Поскольку существует 64 варианта триплетов нуклеотидов, а основных аминокислот в белках всего 20, многие из кодонов синонимичны, то есть кодируют одну и ту же аминокислоту.

Идея авторов заключалась в том, чтобы заменить некоторые (преимущественно редкие) кодоны их синонимами, причем сделать это во всем геноме полноценной бактерии. Такая бактерия обладала бы некоторыми интересными свойствами. При достаточно большом количестве выкинутых кодонов (по крайней мере более трех) она, например, была бы полностью устойчива к любым существующим вирусам, поскольку вирусная генетическая информация в ней стала бы просто «нечитаема». Соответственно, и получать полезную, но не «адаптированную» генетическую информацию из внешней среды (гены устойчивости к антибиотикам и т. д.) она бы не могла, что важно для биотехнологического применения. Кроме того, в белки такой бактерии можно вводить искусственные, не встречающиеся в природе аминокислоты и химические группы, — например, для синтеза каких-то новых лекарств или промышленных веществ. Причем делать это можно стандартными молекулярно-биологическими методами, не разрабатывая систему каждый раз заново.

Схема замены генетического кода фрагмента белка с природного типа на «перекодированный». Nili Ostrov et al., Science, 2016

Сложность создания такой бактерии заключается в том, что нужно заменить выбранные триплеты ДНК во всем геноме, причем сделать это не для одного гена, а для всего генома. Ранее подобные работы по замене кодонов уже проводились (и группой Чёрча в том числе — ученые удаляли из генома кишечной палочки один из стоп-кодонов), однако масштаб их был существенно меньше. Однако когда речь идет о замене семи кодонов во всем геноме, как это запланировано в настоящей работе, это не только требует введения очень большого числа изменений (148955 нуклеотидных замен), но и грозит возникновением разнообразных непредвиденных негативных эффектов, которых при работе только со стоп-кодонами не бывает.

Работа проводилась следующим образом. Ученые отобрали семь достаточно редких кодонов, которые можно было бы удалить вместе с распознающей их тРНК. Затем авторы создали программу, которая позволяет на основе известной последовательности генома (использовалась уже минимизированная, «очищенная» версия генома кишечной палочки) заменить выкидываемые кодоны на их синонимы.

При выборе замены учитывалось множество факторов, которые потенциально могут повлиять на жизнеспособность организма: ученые старались предсказать и максимально сохранить важные свойства исходной ДНК. Например, программой корректировалась доля GC-нуклеотидов (она влияет на механическую жесткость ДНК и многое другое), сохранялись сайты посадки рибосом и те места в матричной РНК, где она образует вторичную структуру.

Скорость роста бактерий с частично замененным геномом. Показаны штаммы с отдельными синтетическими сегментами: чем выше точка, тем «более поломанным» является сегмент. Nili Ostrov et al., Science, 2016
.[image]

В результате программа выдавала несколько тысяч отредактированных фрагментов, которые уже синтезировали химическим способом в цепочки длиной 2–4 тысячи оснований. Эти фрагменты помещали в дрожжи, где из них с помощью рекомбинации собирали 55 крупных сегментов нового генома. Каждый из крупных сегментов затем индивидуально тестировался в «обычной» кишечной палочке — ученые проверяли, насколько замедляется рост бактерии, если природный кусок генома заменить на синтетический с измененным генетическим кодом. Причем, как и ожидалось, эффективности компьютерных предсказаний в некоторых случаях было недостаточно: многие сегменты «не работали» в бактерии из-за замены важных участков, которые нельзя было найти in silico. С ними приходилось работать «вручную».

В итоге на момент публикации ученые проверили работоспособность 63 процентов синтетического генома (он получил название rE.coli-57), причем 91 процент проверенных генов сохранил свою работоспособность. Однако работа над синтетическим геномом на этом еще не закончена (возможно, из-за финансовых трудностей). Общую стоимость проекта авторы оценивают в один миллион долларов.

Усовершенствование природных микроорганизмов на глубинном молекулярно-биологическом уровне относится к синтетической биологии и идет сейчас разными путями. Помимо замены кодонов (которая началась еще в конце 80-х с работы Шульца) ученые, например, пытаются встраивать в геном новые, полностью синтетические пары оснований , которые расширяют информационную емкость ДНК и увеличивают пространство генетического кода. Другим путем идет, например, Институт Крейга Вентера, который недавно доложил о создании бактерии с полностью синтетическим минимальным геномом. Подробнее об этой работе можно прочитать здесь.

Автор: Александр Ершов