Фото:
Биология

Создана бактерия с искусственной ДНК рекордного размера

Команда специалистов из Кембриджа внедрила в живую клетку синтетический геном длиной 4 млн оснований. Открытие стимулирует развитие промышленности и позволит биологам выяснить, как возник генетический код.

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.