Натуральный генетический алфавит земной жизни ограничен двумя парами оснований аденин-тимин (A-T) и гуанин-цитозин (G-C). Всё многообразие жизни на планете программируется, копируется и воспроизводится с помощью цепочек ДНК, образованных всего четырьмя азотистыми основаниями нуклеотидов. Эти основания одинаковы у всех — у дуба, пингвина, бабочки и человека, они только располагаются в разном порядке. Так было до 2014 года, когда учёные из Научно-исследовательского института Скриппса сконструировали первый живой организм с шестью основаниями на базе бактерии E.coli. Две основные пары A, T, G и C дополнили синтетической парой X и Y, которая функционирует вместе с природными.

Стандартная молекула ДНК с четырьмя основаниями A, T, G, C. Американские учёные добавили к ним синтетические основания X и Y из трифосфатов. Графика: Deco Images II / Alamy/Alamy

Теоретически, такие организмы способны хранить и передавать больше информации через ДНК, чем обычные организмы. И это открывает двери для достижения фундаментальной цели синтетической биологии: создания новых жизненных форм и новых синтетических функций в существующих организмах.

Разработка синтетической пары оснований X и Y продолжалась более 15 лет и завершилась успехом в 2014 году, когда учёные доказали принципиальную совместимость синтетической пары оснований с жизнью. Они модифицировали транспортер нуклеотидов (nucleotide transporter) — инструмент, который помогает трифосфатам синтетической базовой пары переноситься через клеточную мембрану. Таким образом, теоретически живой организм мог расти и размножаться, сохраняя и копируя ДНК с натуральными и синтетеческими основаниями из клетки в клетку.

Но о полном успехе говорить было рано, потому что на самом деле полусинтетическую бактерию в том эксперименте нельзя было назвать здоровой. Она медленно росла: делилась в два раза медленнее нормальной бактерии. К тому же, на определённых этапы роста клетки синтетические основания очень сильно разрушались. По мнению учёных, это связано с выделением в клетках фосфатов. Они разрушают синтетические трифосфаты, из которых состоят искусственные основания. В результате, полусинтетическая бактерия не могла сохранить искусственные основания в длительном периоде.

В 2014 году было сделано принципиальное доказательство концепции (PoC). Для полноценного программирования полусинтетических организмов нужно, чтобы синтетические основания можно было внедрить в любое место и в любом контексте окружающих оснований, и чтобы они надёжно там сохранялись при росте и размножении клеток.

К 2016 году авторы работы внесли необходимые изменения в транспортер нуклеотидов, а также сделали небольшие изменения в основании Y. В итоге, они решили все поставленные задачи с нормальным ростом и размножением полусинтетических бактерий, сохраняя в любом месте цепочки базовые пары X и Y. В новом виде синтетические основания лучше распознаются ферментами, которые синтезируют молекулы ДНК во время репликации ДНК, что упрощает процесс копирования синтетических базовых пар при делении клеток.

Синтетические основания dNaM-d5SICS − dNaM-dTPT3, а также сделанные оптимизации транспортера схематически показаны на иллюстрации. Слева показана химическая структура синтетических оснований по сравнению с химической структурой естественных оснований dC − dG

Учёные креативно использовали популярную технику генного редактирования CRISPR-Cas9. Как известно, в живых организмах этот иммунный механизм предназначен для вставки в геном фрагментов, которые соответствуют сигнатурам вирусов-«вредителей» в иммунной системе, чтобы организм мгновенно реагировал на появление этих вредителей (иммунный ответ). Так вот, учёные спроектировали бактерию таким образом, что она воспринимает клетку с ДНК без оснований X и Y как «вредителя», который мгновенно уничтожается. То есть у этого организма своеобразный врождённый иммунитет к потере синтетических оснований. Это значительно упростило задачу сохранения X и Y и сделало новую полусинтетическую жизнь действительно устойчивой в долговременной перспективе.

В лабораторных условиях полусинтетическая ДНК осталась неизменной после 60 делений бактерии. Это дало учёным основания полагать, что она способна сохраняться бесконечно. «Мы решили проблему на фундаментальном уровне», — сказал Брайан Ламб (Brian Lamb), один из авторов научной работы, который сейчас проводит научные исследования для коммерческой компании Vertex Pharmaceuticals.

Таким образом, сконструирована первая в истории науки стабильная полусинтетическая жизненная форма, теоретически способная синтезировать принципиально новые протеины. Это означает, что инженеры могут теперь манипулировать любыми жизненными процессами.

В новой инкарнации полусинтетическая бактерия E.coli стала гораздо более приспособена к реальной жизни. Теоретически, эта жизненная форма может размножаться, мутировать и эволюционировать, как все живые организмы.

Возможности применения полусинтетических организмов поистине безграничны. Люди получают возможность проектировать и создавать биологические системы с заданными свойствами и функциями, которые не имеют аналогов в живой среде. Это не традиционное генетическое редактирование, где в генетический код одного организма добавляют фрагмент генетического кода другого существа. Это настоящее полноценное программирование специфических свойств, которых нет в природе. Качественно новый этап в развитии генной инженерии: грубо говоря, от копипаста к написанию кода с нуля.

Можно привести массу примеров из научно-фантастических произведений, когда живые существа проектировать для чёткого функционального выполнения своей задачи. Например, раса воинов Джем'Хадар из межгалактической военной сверхдержавы Доминион, расположенной в Гамма-квадранте вселенной Star Trek, была генетически спроектирована для войны: у них отсутствует инстинкт самосохранения, а единственная цель жизни — служба Основателям, при этом организм воина химически зависит от постоянного приёма кетросила — специального наркотика, который изготавливают Основатели.

Воин Джем'Хадар с трубкой для кетросила

По мнению биоинженеров, развитие синтетической биологии поможет человечеству решить многие актуальные практические задачи: получить биотопливо из водорослей, бактериальное электричество, новые диагностические препараты, синтетические вакцины, бактериофаги и пробиотики для борьбы с инфекциями, повысить продуктивность и устойчивость культивируемых растений и животных.

Учёные объясняют, что эксперименты с новыми основаниями ДНК безопасны, ведь синтетические основания X и Y не встречаются в живой природе, поэтому вряд ли могут выйти из-под контроля.

Научная работа опубликована 23 января 2017 года в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (doi: 10.1073/pnas.1616443114).