В мае 2019 года генетики представили первый в мире живой организм с полностью переработанной ДНК. Речь идет о кишечной палочке Escherichia coli, которая содержится в организме большинства людей и теплокровных животных, а также используется при производстве лекарств. «Хайтек» объясняет, почему открытие — настоящий прорыв в генетике, и как оно позволит создавать бактерии, устойчивые к вирусам.
Девять лет назад американские ученые во главе с генетиком Крейгом Вентером объявили, что создали первый в мире живой организм с полностью синтезированным геномом — бактерию Mycoplasma mycoides, которая является возбудителем легочных заболеваний у крупного рогатого скота и домашних коз. Вентер тогда объявил о скором начале новой эры, в которой организмы станут приносить пользу человечеству — например, помогут производить более эффективное биотопливо и лучше высасывать углекислый газ из атмосферы.
Однако спустя несколько лет ученые признали, что геном бактерии в действительности не был радикально изменен. Несмотря на это, работа ученых положила начало новому направлению в генетике, которое занимается созданием организмов с полностью отредактированным ДНК.
Над синтезированием генома работают и ученые из проекта GP-write — им уже удалось создать искусственные копии 2 из 16 хромосом, составляющих геном одного штамма пекарских дрожжей. Но ДНК Mycoplasma mycoides включает всего 1,08 млн пар оснований, а дрожжевые хромосомы — менее 1 млн. Кишечная палочка, с которой работали генетики из лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям Англии в Кембридже, содержит 4 млн оснований.
Исследователи во главе с доктором Джейсоном Чином разбили эти 4 млн оснований Escherichia coli на 37 фрагментов и синтезировали их. Получившийся образец похож на своих естественный собратьев, но выживает благодаря меньшему набору генетических инструментов.
Что такое ДНК и зачем ее синтезировать
Прежде всего стоит разобраться с тем, что такое ДНК. Это дезоксирибонуклеиновая кислота, которая является наследственным материалом человека и всех живых организмов.
Почти каждая клетка в теле человека имеет одну и ту же ДНК. Большая часть дезоксирибонуклеиновой кислоты находится в ядре клетки (она называется ядерной ДНК), но в небольшом количестве она присутствует и в митохондриях.
Информация в ДНК хранится в виде кода, состоящего из четырех химических оснований: аденина (A), гуанина (G), цитозина (C) и тимина (T). Геном человека состоит примерно из 3 млрд оснований, и более 99% этих оснований одинаковы для всех людей. Их порядок и последовательность определяет то, каким образом построен и поддерживается организм — подобно тому, как буквы алфавита строятся в определенном порядке, образуя слова и предложения.
Основания ДНК спариваются друг с другом — например, A с T и C с G, чтобы сформировать единицы, называемые парами оснований. Каждое основание также присоединено к молекуле сахара и молекуле фосфата. Вместе основание, сахар и фосфат называются нуклеотидом.
Нуклеотиды расположены в виде двух длинных нитей, которые образуют двойную спираль — в таком виде мы привыкли представлять себе ДНК.
Структура двойной спирали чем-то напоминает лестницу: пары оснований образуют ступеньки, а молекулы сахара и фосфата образуют вертикальные боковые части.
ДНК, свернутая в клетку, содержит инструкции, необходимые для ее функционирования. Например, когда клетке требуется больше белка для роста, она считывает ДНК, кодирующую нужный белок. Такие соединения называются кодонами и записываются в виде трех букв — например, TCG и TCA.
Почти все формы жизни, от медузы до человека, используют 64 кодона. Но многие из них делают одну и ту же работу или повторяют свои функции. В общей сложности 61 кодон образует 20 природных аминокислот, которые можно связать вместе, как бусы на нитке, для создания любого белка в природе. Еще три кодона представляют собой своего рода тормоз — они сообщают клетке, когда белок готов, и ей нужно прекратить его генерировать.
Кодоны используются для определения аминокислот, входящих в состав белков, которые они производят. TCA, например, определяет серин, что означает «извлечь эту аминокислоту из клеточного бульона и присоединить ее к белку, который производит клетка». AAG определяет лизин. TAA означает прекращение добавления аминокислот к растущему белку. Но AGT также означает серин, как и AGC, TCT, TCC и TCG. Если бы природа была эффективной, она бы использовала 20 кодонов для 20 аминокислот, плюс один для «остановки».
Создать такой оптимизированный организм и попытались исследователи.
Что именно сделали генетики
Группа ученых из Кембриджа изучила весь генетический код штамма E. coli и проанализировала функции всех кодонов. После этого исследователи серинового кодона заменили TCG на AGC, каждый TCA (также сериновый) на AGT и каждый TAG (стоп-кодон) на TAA.
Всего они внесли в ДНК E. coli 18 214 правок — получившийся в результате геном стал самым большим из когда-либо созданных путем искусственного объединения ДНК-блоков. На бумаге запись отредактированного генома выглядит так, будто исследователи решили заменить одно очень распространенное слово в цифровой копии романа «Война и мир».
Однако самой сложной работой было собрать химическую копию переписанного генома и обменять его на оригинал внутри живых организмов. Эта работа заняла у ученых около двух лет: когда каждый синтетический фрагмент заменял оригинальный код, исследователи наблюдали, будут бактерии функционировать или погибнут.
«Есть много возможных способов перекодировать геном, но многие из них проблематичны: клетка умирает. Например, предположительно синонимичные кодоны могут производить разное количество белка, а иногда и белки с неожиданными характеристиками, которые убивают клетку».
Джейсон Чин, ведущий автор исследования
Исследователи обнаружили схему перекодирования, которая позволяла заменить оригинальный код на искусственный и сохранить кишечную палочку живой, несмотря использование 59 кодонов вместо 61 для генерирования аминокислот и два, а не 3 кодона, чтобы остановить этот процесс.
Таким образом ученым удалось сократить число кодонов с 64 до 61. Это новый рекорд — до сих пор генетикам удавалось создать бактерию Escherichia coli, которая могла выжить только с 63 кодонами вместо 64.
К чему это приведет
Главная цель создания отредактированного генома — возможность придать кодонам возможность генерировать одну из сотен аминокислот, помимо 20, заложенных природой. Этом даст возможность синтезировать новые ферменты и другие белки.
«Природа дала нам ограниченный набор ферментов, свойства которых мы научились использовать для выполнения сложных задач, начиная от производства сыра и фруктового сока, заканчивая изготовлением биотоплива и обнаружением маркеров в биологических тестах. Все это мы можем сделать с набором из 20 аминокислот — представьте, какие возможности нам даст использование 22 и большего количества аминокислот», — рассказал Stat эксперт по синтетической биологии в Имперском колледже Лондона Том Эллис.
Среди этих возможностей — создание новых продуктов питания, появление новых возможностей для промышленности, и, главное, создание бактерий, устойчивых к вирусам. Это позволит фармацевтам создавать препараты, которые будут еще эффективнее бороться с вирусами и бактериями.
Дало ли открытие ученых эти возможности? Нет. Но оно позволило продвинуться далеко вперед в попытке создать полностью синтетический геном живого организма с отличными от оригинальных функциями.
«Они подняли область синтетической геномики на новый уровень, не только успешно собрав самый большой из когда-либо созданных синтетических геномов, но и внеся в него наибольшие изменения», — заключил Элис в интервью The Guardian.