21.10.2013 | Наука

Создан новый метод генетического перепрограммирования бактерий

Авторы нового исследования в области биоинженерии заявили, что их подопытные бактерии "заговорили на новом языке жизни". Подробности изложены в статье, опубликованной в журнале Science.

Если абстрагироваться от метафор, то учёные создали принципиально новую, более тонкую методику перепрограммирования генома бактерий, которая может произвести революцию в области медицины, генетики и производства эффективных лекарств.

Новые модифицированные бактерии, получившие название генетически перекодированные организмы или ГПО, имеют ряд преимуществ перед обычными подопытными генных инженеров. Во-первых, они более устойчивы к существующим вирусам, а во-вторых, не смогут выжить, если каким-то образом покинут лабораторию (это делает их более безопасными для общества и заодно пригодными для коммерческого использования).

Чтобы понять, что же сделали генетики на этот раз, необходимо вспомнить азы. Если представить генетический код в виде некого длинного слова, то записан он всего четырьмя "буквами" (нуклеотидами — аденин, тимин, гуанин, цитозин). По этим "чертежам" клеточные органоиды создают новые белки.

Считывает "буквы" специальная клеточная машина — рибосома. За один раз она использует набор из трёх "букв" — кодон. Кодон представляет своего рода "слово". Последовательность таких "слов" в гене определяет последовательность аминокилот, из которых будет строиться молекула нужного белка (кодируемого считываемым геном).

Способов соединения четырёх "букв" существует 64, но лишь 61 кодон используется для кодирования 20 аминокислот, встречающихся в природе. Это означает, что некоторые кодоны кодируют одну и ту же аминокислоту.

Оставшиеся три комбинации UAG, UAA и UGA (так называемые стоп-кодоны) ответственны за полную остановку копирования информации рибосомой (отмечают конец молекулы белка). На этом этапе, когда аминокислота добавляется к пептидной (будущей белковой) цепи, фактор терминации трансляции связывает цепь и вызывает высвобождения пептида таким образом, чтобы в дальнейшем он мог свернуться и стать собственно белком.

Эту, казалось бы, идеально отлаженную систему команда синтетических биологов из Йельского университета во главе с Фарреном Айзексом (Farren Isaacs) решила несколько изменить, переписав "правила игры".

В рамках эксперимента они взяли клетки кишечной палочки (Escherichia coli) и заменили все UAG-стоп-кодоны на UAA. Помимо этого они удалили инструкции по производству фактора терминации трансляции, который обычно связывается с UAG-кодоном. Поскольку этих кодонов уже не осталось, то процесс оказался попросту бессмысленным.

Затем исследователи придали кодону UAG новые функции. Для этого они создали модифицированные молекулы транспортной РНК (тРНК) и добавили в систему соответствующие ферменты, которые бы прикрепляли неестественные для клетки аминокислоты каждый раз, когда бы сталкивались с кодоном UAG.

Учёные создали множество несвойственных организмам аминокислот, но они никак не обрабатываются организмом, так как генетические "инструкции" не позволяют вставить их белки.

Но Айзекс и его команда установили кодоны UAG в определённых локациях внутри генов, и в результате "перепрограммированные" организмы начали встраивать неестественные аминокислоты в свои белки.

"Мы получили организм с новым генетическим кодом. Теперь мы можем создавать целый ряд химически разнообразных белков путем введения совершенно нового массива аминокислот и использования UAG-кодонов", — говорит Айзекс.

Возможных применений у такого метода масса. Аминокислоты могут быть использованы для придания белкам новых свойств, к примеру, способности связываться с металлами. Также можно разработать ферменты, устойчивые к перевариванию в кишечнике, или же активизирующиеся только в присутствии другой молекулы. Это открывает двери в мир совершенно новых лекарственных препаратов, считают авторы исследования.

Многим другим группам генетиков уже удавалось модифицировать бактерии, а однажды такой эксперимент даже поставили на насекомых. Их организмы также заставили производить белки, содержащие неестественные аминокислоты. Но у их метода был один существенный недостаток: процесс требовал внедрения в клетку синтетической рибосомы, которая биологически несовместима с природным клеточным механизмом.

Айзекс и его коллеги считают, что их методика может стать альтернативой идеям знаменитого генетика Крейга Вентера, который стремится к созданию полностью синтетической жизни. Вместо того чтобы строить новый геном с нуля, команда предлагает полностью перекодировать уже существующий. Это даст большее биологическое разнообразие, ускорит процесс модификации и обеспечит эффективность и безопасность работы.

В ходе своего эксперимента исследователи использовали технику, называемой мультиплексной автоматической генной инженерией (MAGE). Посредством этой техники создаются одноцепочечные фрагменты ДНК, которые при воздействии на них вирусных ферментов заменяют UAG-кодоны в РНК на UAA-кодоны. Для модификации РНК кишечных палочек учёные воздействовали на клетки электрическим током.

Трансформация проходила в несколько этапов, поскольку не с первого раза удавалось подменить один кодон другим. Для повышения эффективности генетики обратились к ещё одной технике, называемой кэп-анализом экспрессии генов CAGE. Таким образом они объединили штаммы с различными изменениями до тех пор, пока геном не был полностью перекодирован.

Полученная модифицированная кишечная палочка стала устойчива к большинству известных вирусов, и всё благодаря замене кодонов. Вирусы, как известно, внедряют собственные гены в ДНК хозяйской клетки ради производства вирусных белков. Но любой вирусный ген, содержащий стоп-кодон UAG, больше не будет считываться.

Можно сказать, это отличные новости для учёных, создающих бактерии, которые бы производили нужные белки в промышленных масштабах. При создании пенициллина или биотоплива многие бактерии оказываются заражёнными, из-за чего приходится уничтожать целые чаны биологического материала.

Другое преимущество ГПО заключается в том, что они не смогут выжить в естественных условиях вне лаборатории. Имея стоп-кодоны в неположенных местах, клетки преждевременно прекращают производство белков. К тому же, они не могут жить без неестественной для них аминокислоты.

Исследование пока находится на стадии фундаментальной научной работы, но его авторы уже видят широкое поле для применения новой генно-инженерной методики.

ВестиRu