Дев'ять років тому американські вчені на чолі з генетиком Крейгом Вентером оголосили, що створили перший у
Однак через кілька років вчені визнали, щогеном бактерії насправді не був радикально змінений. Незважаючи на це, робота вчених започаткувала новий напрям в генетиці, яке займається створенням організмів з повністю відредагованим ДНК.
Кишкова паличка E. coli
Над синтезуванням геному працюють і вчені зпроекту GP-write - їм вже вдалося створити штучні копії 2 з 16 хромосом, що становлять геном одного штаму пекарських дріжджів. Але ДНК Mycoplasma mycoides включає всього 1,08 млн пар основ, а дріжджові хромосоми - менше 1 млн. Кишкова паличка, з якою працювали генетики з лабораторії молекулярної біології Ради з медичних досліджень Англії в Кембриджі, містить 4 млн основ.
Дослідники на чолі з доктором Джейсоном Чиномрозбили ці 4 млн. підстав Escherichia coli на 37 фрагментів і синтезували їх. Зразок, що вийшов, схожий на своїх природних побратимів, але виживає завдяки меншому набору генетичних інструментів.
Що таке ДНК і навіщо її синтезувати
Насамперед варто розібратися з тим, що таке ДНК. Це дезоксирибонуклеїнова кислота, яка є спадковим матеріалом людини та всіх живих організмів.
Майже кожна клітина в тілі людини має одну іту ж ДНК. Велика частина дезоксирибонуклеїнової кислоти знаходиться в ядрі клітини (вона називається ядерної ДНК), але в невеликій кількості вона присутня і в мітохондріях.
Інформація в ДНК зберігається у вигляді коду, що складаєтьсяз чотирьох хімічних підстав: аденіну (A), гуаніну (G), цитозину (C) і тиміну (T). Геном людини складається приблизно з 3 млрд підстав, і більше 99% цих підстав однакові для всіх людей. Їх порядок і послідовність визначає те, яким чином побудований і підтримується організм - подібно до того, як букви алфавіту будуються в певному порядку, утворюючи слова і пропозиції.
Основи ДНК спаровуються одна з одною.наприклад, A T і C G, щоб сформувати одиниці, звані парами основ. Кожна основа також приєднана до молекули цукру та молекули фосфату. Водночас основа, цукор та фосфат називаються нуклеотидом.
Нуклеотиди розташовані у вигляді двох довгих ниток, які утворюють подвійну спіраль — у такому вигляді ми звикли уявляти ДНК.
ДНК
Структура подвійної спіралі чимось нагадує сходи: пари підстав утворюють сходинки, а молекули цукру і фосфату утворюють вертикальні бічні частини.
ДНК, згорнута в клітку, містить інструкції,необхідні для її функціонування. Наприклад, коли клітці потрібно більше білка для росту, вона зчитує ДНК, що кодує потрібний білок. Такі сполуки називаються кодонами і записуються у вигляді трьох букв - наприклад, TCG і TCA.
Майже всі форми життя, від медузи до людини,використовують 64 кодони. Але багато хто з них виконує ту саму роботу або повторює свої функції. 61 кодон утворює 20 природних амінокислот, які можна зв'язати разом, як намисто на нитці, для створення будь-якого білка в природі. Ще три кодони є своєрідним гальмом — вони повідомляють клітині, коли білок готовий, і їй потрібно припинити його генерувати.
Кодони використовуються для визначення амінокислот,що входять до складу білків, які вони виробляють. TCA, наприклад, визначає серин, що означає "витягти цю амінокислоту з клітинного бульйону і приєднати її до білка, який виробляє клітина". AAG визначає лізин. TAA означає припинення додавання амінокислот до білка, що росте. Але AGT також означає серин, як і AGC, TCT, TCC та TCG. Якби природа була ефективною, вона використала б 20 кодонів для 20 амінокислот, плюс один для «зупинки».
Створити такий оптимізований організм та спробували дослідники.
Що саме зробили генетики
Група вчених з Кембриджу вивчила весьгенетичний код штаму E. coli та проаналізувала функції всіх кодонів. Після цього дослідники серинового кодону замінили TCG AGC, кожен TCA (також сериновий) на AGT і кожен TAG (стоп-кодон) на TAA.
Всього вони внесли в ДНК E. coli 18 214 правок - вийшов в результаті геном став найбільшим з коли-небудь створених шляхом штучного об'єднання ДНК-блоків. На папері запис відредагованого генома виглядає так, ніби дослідники вирішили замінити одне дуже поширене слово в цифрової копії роману «Війна і мир».
Однак найскладнішою роботою було зібратихімічну копію переписаного генома і обміняти його на оригінал всередині живих організмів. Ця робота зайняла у вчених близько двох років: коли кожен синтетичний фрагмент заміняв оригінальний код, дослідники спостерігали, будуть бактерії функціонувати або загинуть.
Є багато можливих способів перекодуватигеном, але багато хто з них проблематичні: клітина вмирає. Наприклад, імовірно, синонімічні кодони можуть виробляти різну кількість білка, а іноді й білки з несподіваними характеристиками, які вбивають клітину».
Джейсон Чин, провідний автор дослідження
Дослідники виявили схему перекодування,яка дозволяла замінити оригінальний код на штучний і зберегти кишкову паличку живою, незважаючи на використання 59 кодонів замість 61 для генерування амінокислот і два, а не 3 кодони, щоб зупинити цей процес.
Таким чином ученим вдалося скоротити числокодонів з 64 до 61. Це новий рекорд - досі генетикам вдавалося створити бактерію Escherichia coli, яка могла вижити тільки з 63 кодонами замість 64.
До чого це призведе
Головна мета створення відредагованого генома -можливість надати кодонам можливість генерувати одну з сотень амінокислот, крім 20, закладених природою. Це дасть можливість синтезувати нові ферменти і інші білки.
«Природа дала нам обмежений набір ферментів,властивості яких ми навчилися використовувати для виконання складних завдань, починаючи від виробництва сиру і фруктового соку, закінчуючи виготовленням біопалива і виявленням маркерів в біологічних тестах. Все це ми можемо зробити з набором з 20 амінокислот - уявіть, які можливості нам дасть використання 22 і більшої кількості амінокислот », - розповів Stat експерт по синтетичної біології в Імперському коледжі Лондона Том Елліс.
Серед цих можливостей - створення новихпродуктів харчування, поява нових можливостей для промисловості, і, головне, створення бактерій, стійких до вірусів. Це дозволить фармацевтам створювати препарати, які будуть ще ефективніше боротися з вірусами і бактеріями.
Чи дало відкриття вчених ці можливості? Ні. Але воно дозволило просунутися далеко вперед у спробі створити повністю синтетичний геном живого організму з відмінними від оригінальних функцій.
«Вони підняли область синтетичної геноміки нановий рівень, не тільки успішно зібравши найбільший з коли-небудь створених синтетичних геномів, а й внісши в нього найбільші зміни », - уклав Еліс в інтерв'ю The Guardian.