Et internasjonalt team av forskere fra USA, Frankrike og Kina har skapt en halvsyntetisk livsform. Selv om det allerede er gjort forsøk på å skaffe bakterier med modifisert DNA, multipliserte mikroorganismer dårlig, krevde spesielle vekstforhold, og til slutt ble de kvitt endringene som ble introdusert i dem. "Lenta.ru" snakker om et nytt verk der forskerne klarte å løse disse problemene, etter å ha oppnådd en skapning som er radikalt forskjellig fra alt naturlig liv på jorden.
For ikke så lenge siden besto DNA av alle levende organismer på planeten vår av fire typer nukleotider som inneholder adenin (A), eller tymin (T), eller guanin (G), eller cytosin ©. Strenger på titalls eller hundrevis av millioner nukleotider danner separate kromosomer. Genene som finnes på kromosomer er i det vesentlige lange nukleotidsekvenser der aminosyresekvensene til proteiner er kodet. Kombinasjonen av tre påfølgende nukleotider (kodon eller triplett) tilsvarer en av 20 aminosyrer. Dermed bruker livet en genetisk kode på tre bokstaver (ATG, CGC og så videre) basert på et alfabet på fire bokstaver (A, C, T, G).
Når en celle i en organisme trenger et protein (polypeptid), blir genet som koder for det slått på. Sistnevnte er festet til et spesielt enzym kalt RNA-polymerase, som under transkripsjonsprosessen begynner å følge sekvensen av nukleotider og lage en kopi av den i form av et molekyl som kalles messenger RNA (mRNA). RNA er veldig lik DNA, men i stedet for tymin inneholder det uracil (U). Etter det forlater mRNA cellekjernen og blir rettet mot ribosomene, der den under oversettelsesprosessen fungerer som en oppskrift for å lage proteinets aminosyrekjede.
Forskerne bestemte seg for å endre den genetiske koden til Escherichia coli ved å legge til to ekstra "bokstaver" til den. Faktum er at DNA i levende organismer er dobbelt, det vil si at det dannes av to kjeder som er parret med hverandre av komplementære bindinger. Slike bindinger dannes mellom basen av A-nukleotidet fra en streng og basen av T-nukleotidet fra den andre (på samme måte mellom C og G). Derfor må de to nye syntetiske nukleotidene også være i stand til å parre hverandre. Valget falt på dNaM og d5SICS.
E. coli Escherichia coli
Foto: Rocky Mountain Laboratories / NIAID / NIH
Ett par syntetiske nukleotider ble satt inn i et plasmid - et dobbeltstrenget sirkulært DNA-molekyl som var i stand til å formere seg separat fra resten av bakteriegenomet. De erstattet et par komplementære nukleotider A og T, som var en del av laktoseoperonet - et sett med gener som metaboliserer laktosesukker, og de ikke-kodende DNA-sekvensene assosiert med dem. Syntetiske nukleotider ble ikke inkludert i regionen som polymerase kopierer i mRNA.
Kampanjevideo:
Hvorfor bestemte forskere seg for ikke å sette inn syntetiske nukleotider direkte i genet, men ved siden av det? Faktum er at det er veldig vanskelig å endre et gen på denne måten slik at det forblir funksjonelt. Tross alt, for dette må du binde de resulterende nye kodonene til hvilken som helst aminosyre. For dette er det igjen nødvendig å lære cellen å produsere forskjellige typer transport-RNA (tRNA), som kan gjenkjenne disse kodonene.
TRNA-molekylene utfører følgende funksjon. De bærer, som lastebiler, en viss aminosyre i den ene enden, nærmer seg mRNA i ribosomene og begynner i sin tur å matche tripletten av nukleotider i den andre enden med kodonet. Hvis de samsvarer, blir aminosyren fjernet og innlemmet i proteinet. Imidlertid, hvis det ikke er noe passende tRNA, vil ikke proteinet syntetiseres, noe som kan påvirke cellelevedyktigheten negativt. Derfor, ved å introdusere syntetiske nukleotider i gener, ville forskere måtte lage gener som koder for nye tRNAer som kan gjenkjenne kunstige kodoner og feste riktig aminosyre til polypeptidet. Forskernes oppgave var imidlertid enklere. De trengte å sørge for at plasmidet med syntetiske nukleotider lykkes med å formere seg og overføres til datterorganismer.
Plasmider brukes til å transformere Escherichia coli
Bilde: Denis A. Malyshev / Kirandeep Dhami / Thomas Lavergne / Tingjian Chen / Nan Dai / Jeremy M. Foster / Ivan R. Correa / Floyd E. Romesberg / Nature / Department of Chemistry / The Scripps Research Institute
Dette plasmidet, betegnet pINF, ble introdusert i E. coli. For å kopiere det er det imidlertid nødvendig at mange nukleotider er tilstede inne i bakteriecellen. For dette formål ble et annet plasmid, pCDF-1b, satt inn i E. coli. Den inneholdt genet for diatom Phaeodactylum tricornutum PtNTT2, som koder for NTT-proteinet, som transporterer nukleotider fra næringsmediet til cellen.
Forskerne sto imidlertid overfor en rekke vanskeligheter. For det første har proteinene fra Phaeodactylum tricornutum en toksisk effekt på E. coli-cellen. Alt på grunn av tilstedeværelsen i dem av et fragment av aminosyresekvensen, som bærer en signalfunksjon. Takket være henne tar proteinet riktig posisjon i alcellen, hvoretter sekvensen fjernes. E. coli klarer ikke å fjerne dette fragmentet, så forskerne hjalp henne. De var i stand til å fjerne de første 65 aminosyrene fra NTT. Dette reduserte toksisiteten betydelig, selv om det også reduserte hastigheten for nukleotidtransport.
Et annet problem var at syntetiske nukleotider ble beholdt i plasmider i lang tid, og ikke erstattet når DNA ble kopiert. Som det viste seg, var deres sikkerhet avhengig av hvilke nukleotider som omringet dem. For å finne ut av det, analyserte forskerne forskjellige kombinasjoner innebygd i 16 plasmider. For å forstå om et syntetisk nukleotid hadde falt ut av sekvensen, brukte forskerne CRISPR / Cas9-teknologi.
CRISPR / Cas9
Bilde: Steve Dixon / Feng Zhang / MIT
CRISPR / Cas9 er en molekylær mekanisme som finnes i bakterier og lar dem bekjempe bakteriofager. Med andre ord representerer denne teknologien immunitet mot virusinfeksjoner. CRISPR er et spesielt stykke DNA. De inneholder korte fragmenter av DNA-virus som en gang infiserte forfedrene til dagens bakterier, men ble beseiret av deres indre forsvar.
Når bakteriofagen kommer inn i bakteriene, brukes disse fragmentene som en mal for syntesen av molekyler kalt crRNA. Det dannes mange forskjellige RNA-kjeder, de binder seg til Cas9-proteinet, hvis oppgave er å kutte virus-DNA. Han kan gjøre dette bare etter at crRNA finner et komplementært fragment av viralt DNA.
Hvis det i stedet for crRNA brukes en RNA-sekvens som er komplementær til et bestemt fragment av plasmidet, vil Cas9 også kutte plasmidet. Men hvis det er syntetiske nukleotider i det fragmentet, vil ikke proteinet fungere. Dermed er det mulig å bruke CRISPR å isolere de plasmidene som er resistente mot uønskede mutasjoner. Det viste seg at i 13 av 16 plasmider var tapet av syntetiske nukleotider ubetydelig.
Dermed klarte forskerne å skape en organisme med grunnleggende endringer i DNA, i stand til å beholde dem i seg selv på ubestemt tid.
Selv om en halvsyntetisk livsform bare har to unaturlige nukleotider i sitt genom, som ikke finnes i kodoner og ikke er involvert i kodingen av aminosyrer, er det den første resistente organismen hvis DNA-alfabet består av seks bokstaver. I fremtiden vil forskere mest sannsynlig kunne bruke denne innovasjonen til å syntetisere proteiner, og derved skape en fullverdig kunstig genetisk kode.
Alexander Enikeev
