Новый генетический код и первая полусинтетическая бактерия

Инновации
автор: Андрей Васильков  14 мая 2014

Учёные из научно-исследовательского института Скриппса (TSRI) в Калифорнии модифицировали бактерию E. coli, введя в код её плазмидной ДНК два новых комплементарных соединения, не встречающихся в природе. Так научная группа получила первый в мире полусинтетический живой организм и навсегда изменила генетику. Одним из авторов работы указан наш соотечественник — научный сотрудник Денис Малышев. Он учился в Московском химическом лицее, после чего окончил Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева и эмигрировал в США.

Современных биологов и биохимиков вполне можно считать программистами. Ведь они освоили самый низкоуровневый язык, который только можно представить, — генетический код. Прямое вмешательство в него похоже на реверс-инжиниринг. Оно стало возможным совсем недавно и совершило настоящий переворот в биотехнологиях.

Норман Борлоуг спас миллиард людей от голодной смерти с помощью селекции (фото: guim.co.uk).

Норман Борлоуг спас миллиард людей от голодной смерти с помощью селекции (фото: guim.co.uk).

Примерно до восьмидесятых годов XX века селекционеры действовали вслепую, опираясь на внешние признаки и закономерности их наследования. Даже таким неоптимальным способом порой совершались удивительные по своим масштабам достижения. К примеру, лауреата Нобелевской премии Нормана Эрнеста Борлоуга называют «отцом Зелёной и Белой революции» за то, что он смог вывести сорта пшеницы и риса с исключительной урожайностью. По данным ООН, это уже спасло от голодной смерти около миллиарда человек и помогло сохранить само существование Мексики, Индии и Пакистана.

Иногда метод проб и ошибок приводил к досадным просчётам. Например, кроме повышения урожайности картофеля и томатов новых сортов, в них повышался уровень содержания токсинов, типичных для всего семейства паслёновых. Такие сорта забраковывались, но никто не мог вернуть годы потраченного времени. Проблема сдерживания генетики состоит именно в страхе перед сложными технологиями, а не в опасности самой изменённой ДНК. Ведь абсолютно любой организм (кроме своего собственного) является для нас генетически чужеродным.

Новые биотехнологические методы позволяют избежать подобных ошибок, сразу внося в генотип контролируемые изменения. Помимо растений, этот метод широко применяется у бактерий, поскольку, кроме собственной ДНК, они содержат ещё и удобную для работы плазмидную. Модифицированные штаммы превращаются в завод по производству сложных белков, наиболее востребованных в медицине. Среди них есть инсулин, эритропоэтин, интерферон и другие. По данным ВОЗ, один только генно-инженерный инсулин спасает от тяжёлых осложнений и смерти сотни миллионов человек во всём мире.

Схема получения инсулина методами генной инженерии (по материалам: discoveryandinnovation.com).

Схема получения инсулина методами генной инженерии (по материалам: discoveryandinnovation.com).

Сегодня качество нашей жизни напрямую зависит от того, как быстро мы сможем разобраться в деталях синтеза белка и научиться управлять этим процессом. Простых методов изменения генома уже недостаточно: требуется расширять сам язык генетического программирования, вводя в него новые операторы. Именно это и сделали в институте Скриппса, объединив результаты научных работ по данной теме за более чем двадцатилетний период.

В природе нуклеиновые кислоты всех живых существ содержат только четыре азотистых основания: гуанин (G), аденин (А), тимин (Т) и цитозин (С) в ДНК, плюс неметилированную форму тимина (урацил — U) в РНК. Каждый участок из трёх последовательно расположенных оснований формирует кодон, в котором и зашифрована команда на синтез определённой аминокислоты, либо сигналы «старт/стоп».

Схема кодирования аминокислот в ДНК (изображение: mpnforum.com).

Схема кодирования аминокислот в ДНК (изображение: mpnforum.com).

При большом химическом разнообразии аминокислот как группы веществ, белки любого живого организма состоят всего из двадцати L-альфа-аминокислот. Их положение определяет структуру протеинов и их биологические свойства.

Данный код характеризуется избыточностью: некоторые аминокислоты могут кодироваться разными способами. Например, к синтезу аргинина внутри клетки приведёт запись CG*, где * — любое третье основание. Поэтому, несмотря на трёхбуквенную систему, в процессе биосинтеза белка образуются не 64=43, а всего двадцать разных вариантов аминокислот. Редко встречающиеся селеноцистеин, пирролизин и другие «нестандартные» альфа-аминокислоты не нарушают этого правила. Они выпадают из общего списка, так как образуются иначе — путём модификации одной из основных аминокислот уже после её синтеза.

В лабораторных условиях, помимо AT(U)GC, можно использовать и другие кодирующие молекулы — такие как d5SICS и dNaM. Добавление всего пары синтетических соединений к стандартному набору азотистых оснований фактически создаёт новый генетический алфавит. С его помощью можно закодировать биосинтез уже не двадцати, а ста семидесяти двух аминокислот. Число новых вариантов белка, который можно синтезировать из них, становится просто астрономическим.

Всего два новых соединения расширяют диапазон биосинтеза возможных аминокислот с 20 до 172 (изображение: cen.acs.org).

Всего два новых соединения расширяют диапазон биосинтеза возможных аминокислот с 20 до 172 (изображение: cen.acs.org).

«В принципе, мы могли бы кодировать совершенно новые белки, сделанные из не встречающихся в природе аминокислот, — поясняет руководитель группы Флойд Ромсберг (Floyd E. Romesberg). — Это дало бы нам бо́льшую власть, чем когда-либо. Мы могли бы адаптировать технологию для создания белковых терапевтических и диагностических средств, лабораторных реагентов и многого другого. Такие аспекты применения, как наноматериалы, тоже возможны».

Соединения d5SICS и dNaM связываются между собой через гидрофобные взаимодействия, в то время как природные образуют водородные связи. Это не мешает использовать их для расширения генетического алфавита, но создаёт ряд преодолимых трудностей.

Сравнение связей синтетических (d5SICS-dNaM) и природных (C-G) оснований (изображение: nature.com).

Сравнение связей синтетических (d5SICS-dNaM) и природных (C-G) оснований (изображение: nature.com).

Экспериментальный штамм бактерий с изменённым генотипом содержит эти два новых основания и сохраняет жизнеспособность, однако пока не даёт потомства самостоятельно. Для размножения модифицированных бактерий требуется ряд ручных манипуляций с раствором — таких как добавление фосфатных соединений, получаемых из водорослей.

«Важно отметить, что это также обеспечивает контроль над системой, — говорит Денис Малышев. — Наши новые соединения могут поступать в клетку только при помощи белков-переносчиков. Без них клетка вернётся к стандартному набору ATGC, а молекулы d5SICS и dNaM исчезнут из её генома».

Авторы исследования рассчитывают, что в дальнейшем найдётся способ создать полностью синтетический и способный к размножению штамм бактерий. Для этого требуется аналогичным способом расширить «алфавит» РНК и, возможно, изменить сами рибосомы.

Поделиться
Поделиться
Tweet
Google
 
Читайте также
Как «большие данные» помогают генетическим исследованиям
Как «большие данные» помогают генетическим исследованиям
На пути к химическому компьютеру: создана среда разработки на основе синтетической ДНК
На пути к химическому компьютеру: создана среда разработки на основе синтетической ДНК
Создан концепт биокомпьютера, использующего генетический код в качестве программного
Создан концепт биокомпьютера, использующего генетический код в качестве программного
  • kue

    Как в том анекдоте: «Однажды кишечная палочка нашла волшебную палочку..»

  • unk32

    Пока что это не программисты а блондинка за компьютером: куда-то ткнули и что-то получилось. До создания живой клетки с нуля из молекул как до Юпитера пешком.

    • Andrei Komelkov

      Ну, полностью синтетический геном с нуля в случае с микоплазмой уже сделан. Так что не как до Юпитера пешком, а примерно как на надувной лодке пересечь Тихий океан…

      • Андрей Васильков

        … или Атлантический
        http://is.gd/vdw4T1

        • unk32

          И оживить еще. Пока что известен только литературный метод Франкенштейна. Или само заработает? Как только последнюю недостающую молекулу добавят.

          • Andrei Komelkov

            Именно. Как только все нужные молекулы добавят, оно и заработает, что ясно доказывают те же синтетические геномы.

        • Andrei Komelkov

          ;) я хотел сначала про Аталнтический написать, и остановило меня то, что это уже делали…

  • cordfield

    > Проблема сдерживания генетики состоит именно в страхе перед сложными технологиями, а не в опасности самой изменённой ДНК
    Именно в опасности. Напишут в составе продукта «картофель» — и никак не узнаешь, что он был намеренно генетически изменён для выработки канцерогенной кислоты или средства, приводящего к слепоте или ещё чего-либо. Придётся в составе пищевых продуктов полностью указывать генетические коды.

    • Mykola Yaroshenko

      Я думаю, что в случае НАМЕРЕННО измененного ТАК картофеля, точно так же НАМЕРЕННО это не будет указано на этикетке. Все-таки, это проще, чем модифицировать картофель…

    • Андрей Васильков

      Cordfield, можете привести пример хотя бы одного сорта выращиваемого сегодня картофеля, генотип которого не подвергался намеренным изменениям? Риса? Пшеницы? Фасоли? Вы диких предков этих сельскохозяйственных культур представляете? Опасность кроется в невежестве масс, а не генетиков.

      • cordfield

        Генетические модификации просто так не проводятся. Они имеют цель — выработку веществ, нехарактерных для растения. Например, ядохимикатов, чтобы растение не ели вредители. Или глутамата натрия, усилителя вкуса. Хороши ли эти вещества для человека, съевшего растение — надо исследовать в каждом конкретном случае. Ведь для производителей такие растения очень выгодны — не надо тратиться на пестициды, расходы гораздо ниже. А на здоровье людей многим плевать. Производители будут проталкивать ГМО взятками, лишь бы провести их через контроль здравоохранения.

        • Felis Manul

          Кстати, пестициды — не только лишняя статья расходов производителя сельхозпродукции, но и просто не очень полезные для здоровья вещества. И для окружающей среды тоже. Зато привычные.

          «Производители будут проталкивать ГМО взятками, лишь бы провести их через контроль здравоохранения.»
          Также логично предположить, что производители пестицидов попытаются максимально затормозить внедрение альтернативных способов борьбы с вредителями.

  • Андрей Васильков

    У Леонида Каганова на эту тему есть шикарный пост.
    http://lleo.me/dnevnik/2008/02/26.html

    • cordfield

      Это всего лишь пост, то есть мнение. Чтобы успокоить людей, таких как я, нужна информация о наличии независимого от производителей контроля безопасности ГМО продукции, проверки отсутствия в ней веществ, вредных для человека, желательно на государственном уровне. Пока что я не нашёл такой информации. Только новость от 15 апреля 2014 года «Россия разработала законопроект, по которому не прошедшие проверку ГМО продукты не пропустят в страну»

  • Ivan Druzhkov

    /Проблема сдерживания генетики состоит именно в страхе перед сложными технологиями, а не в опасности самой изменённой ДНК/

    опасность в риске, что новая культура/штам/вид ( предварительно мало-тестируемый ) сможет пошатнуть наш крайне чувствительный экологический баланс, спровоцировав либо коллапс биоценоза, либо его изменение.

    если по-проще, то мы не можем пока эффективно и полностью контролировать жизнь/развитие рождённых нами культур.

Хостинг "ИТ-ГРАД"
© ООО "Компьютерра-Онлайн", 1997-2017
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на "Компьютерру" обязательна.
«Партнер Рамблера» Почта защищена сервером "СПАМОРЕЗ" Хостинг "Fornex"