Исследователи из Кембриджского университета сообщили, что переписали геном бактерии Escherichia coli, заменив его синтетическим. Искусственная ДНК в четыре раза больше и намного сложнее, чем все созданные ранее. Известный научный журналист и популяризатор науки Карл Циммер в своей колонке для New York Times называет достижение важной вехой в развитии синтетической биологии.
Несмотря на то, что искусственные бактерии имеют непривычную форму и медленно размножаются, их клетки исправно производят белки на основе нового генома.
Однажды подобные микроорганизмы превратятся в живые фабрики лекарств и других ценных молекул.
Кроме того, они могут дать биологам подсказки о возникновении генетического кода. Именно загадка избыточности генетического кода привела кембриджских ученых к созданию искусственных бактерий.
Как известно, ДНК состоит из четырех нуклеотидных оснований — аденина, тимина, цитозина и гуанина. Объединяясь по три, основания формируют кодоны, которые соответствуют определенным аминокислотам — строительным блокам белков. В клетках живых организмов используется всего 20 аминокислот, однако кодонов намного больше — 64. Даже если вычесть три стоп-кодона, которые останавливают синтез белка, остается 61.
Это значит, что генетический код избыточен: некоторым аминокислотам соответствует несколько кодонов. Например, у аминокислоты серин их шесть.
Исследователи решили выяснить, действительно ли эта избыточность необходима для выживания организмов. Они разработали геном, в котором для синтеза серина используется всего четыре кодона. Кроме того, в нем не три, а два стоп-кодона. Затем команда синтезировала полученную ДНК длиной 4 млн пар оснований и попыталась внедрить в бактериальную клетку.
Манипуляции с таким большим и сложным геномом — непростая задача. Исследователям пришлось разделить его на отдельные сегменты и заменять фрагменты природной ДНК один за другим. В будущем команда надеется удалить еще больше кодонов, чтобы выяснить, как сильно можно ужать генетический код.
Бактериальный синтез
Помимо научной, открытие имеет большую практическую ценность. Например, микроорганизмы с синтетическим геномом неуязвимы для вирусов, поэтому их можно использовать в промышленности, не опасаясь опустошительных вспышек болезней, угрожающих обычным бактериям.
Перекодирование ДНК также поможет остановить «утечку» генов от ГМО-бактерий к их диким родственникам.
Наиболее заманчивая перспектива — возможность вовлечь в процесс синтеза белка дополнительные аминокислоты. В мире есть сотни аминокислот, однако живые организмы используют лишь малую их долю. Сжатие генетического кода освободит кодоны, которые можно будет использовать для кодирования таких кислот.
В настоящее время синтез искусственного генома — очень дорогая и трудоемкая задача. Однако с ростом спроса технологии будут развиваться, а цена на искусственную ДНК — падать. Однажды методику, отработанную на кишечной палочке, применят к другим видам бактерий и дрожжам.
Недавно стало известно о первом искусственном геноме, синтезированном алгоритмом. Программа радикально сократила количество генов у бактерии Caulobacter crescentus, что значительно упростило синтез ДНК. Использование алгоритма позволило сделать процесс намного более эффективным.
