Новый генетический код и первая полусинтетическая бактерия

Учёные из НИИ Скриппса (TSRI) в Калифорнии модифицировали бактерию E. coli, введя в код её плазмидной ДНК два новых комплементарных соединения, не видящихся в природе. Так научная несколько взяла первый в мире полусинтетический живой организм и окончательно поменяла генетику. Одним из авторов работы указан отечественный соотечественник – научный сотрудник Денис Малышев. Он получал образование Столичном химическом лицее, по окончании чего окончил Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева и эмигрировал в Соединенных Штатах.

биохимиков и Современных биологов в полной мере можно считать программистами. Так как они освоили самый низкоуровневый язык, что лишь возможно представить, – генетический код. Прямое вмешательство в него похоже на реверс-инжиниринг. Оно произошло совсем сравнительно не так давно и совершило настоящий переворот в биотехнологиях.

Новый генетический код и первая полусинтетическая бактерия

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

Приблизительно до восьмидесятых годов XX века селекционеры действовали вслепую, опираясь на закономерности и внешние признаки их наследования. Кроме того таким неоптимальным методом иногда совершались необычные по своим масштабам успехи. К примеру, лауреата Нобелевской премии Нормана Эрнеста Борлоуга именуют «отцом Зелёной и Белой революции» за то, что он смог вывести риса и сорта пшеницы с необыкновенной урожайностью. Согласно данным ООН, это уже спасло от голодной смерти около миллиарда человек и помогло сохранить само существование Мексики, Пакистана и Индии.

Время от времени способ ошибок и проб приводил к досадным просчётам. К примеру, не считая томатов урожайности новых и повышения картофеля сортов, в них увеличивался уровень содержания токсинов, обычных для всего семейства паслёновых. Такие сорта забраковывались, но никто не имел возможности вернуть годы израсходованного времени. Неприятность сдерживания генетики состоит как раз в страхе перед сложными разработками, а не в опасности самой поменянной ДНК. Так как любой организм (не считая собственного собственного) есть для нас генетически чужеродным.

Новые биотехнологические способы разрешают избежать аналогичных неточностей, сходу внося в генотип контролируемые трансформации. Кроме растений, данный способ активно используется у бактерий, потому, что, не считая собственной ДНК, они содержат ещё и удобную для работы плазмидную. Модифицированные штаммы преобразовываются в завод по производству сложных белков, самый востребованных в медицине. Среди них имеется инсулин, эритропоэтин, интерферон и другие. Согласно данным ВОЗ, один лишь генно-инженерный инсулин выручает от смерти сотни и тяжёлых осложнений миллионов человек во всём мире.

Новый генетический код и первая полусинтетическая бактерия

Схема получения инсулина способами генной инженерии (по данным: discoveryandinnovation.com).

Сейчас уровень качества нашей жизни зависит от того, как скоро мы сможем разобраться в подробностях синтеза белка и обучиться руководить этим процессом. Несложных способов трансформации генома уже не хватает: требуется расширять сам язык генетического программирования, вводя в него новые операторы. Именно это и произвели в университете Скриппса, объединив результаты научных работ по данной теме за более чем двадцатилетний период.

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

Новый генетический код и первая полусинтетическая бактерия

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

При громадном 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 особенности.

Этот код характеризуется избыточностью: кое-какие аминокислоты смогут кодироваться различными методами. К примеру, к синтезу аргинина в клетки приведёт запись CG*, где * – любое третье основание. Исходя из этого, не обращая внимания на трёхбуквенную совокупность, в ходе синтеза белка образуются не 64=43, а всего двадцать различных вариантов аминокислот. Редко видящиеся селеноцистеин, пирролизин и другие «нестандартные» альфа-аминокислоты не нарушают этого правила. Они выпадают из неспециализированного перечня, поскольку образуются в противном случае – путём модификации одной из главных аминокислот уже по окончании её синтеза.

В лабораторных условиях, кроме AT(U)GC, возможно применять и другие кодирующие молекулы – такие как d5SICS и dNaM. Добавление всего пары синтетических соединений к стандартному комплекту азотистых оснований практически создаёт новый генетический алфавит. С его помощью возможно закодировать синтез уже не двадцати, а ста семидесяти двух аминокислот. Число новых вариантов белка, что возможно синтезировать из них, делается легко астрономическим.

Новый генетический код и первая полусинтетическая бактерия

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

“В принципе, мы имели возможность бы кодировать совсем новые белки, сделанные из не видящихся в природе аминокислот, – поясняет начальник группы Флойд Ромсберг (Floyd E. Romesberg). – Это дало бы нам бо?льшую власть, чем когда-либо. Мы имели возможность бы приспособить разработку для протеиновых терапевтических и диагностических средств, лабораторных реагентов и многого другого. Такие нюансы применения, как наноматериалы, также вероятны”.

Соединения d5SICS и dNaM связываются между собой через гидрофобные сотрудничества, тогда как природные образуют водородные связи. Это не мешает применять их для расширения генетического алфавита, но создаёт последовательность преодолимых трудностей.

Новый генетический код и первая полусинтетическая бактерия

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

Экспериментальный штамм бактерий с поменянным генотипом содержит эти два новых основания и сохраняет жизнеспособность, но пока не даёт потомства самостоятельно. Для размножения модифицированных бактерий требуется последовательность ручных манипуляций с раствором – таких как добавление фосфатных соединений, приобретаемых из водорослей.

«Принципиально важно подчернуть, что это кроме этого снабжает контроль над совокупностью, – говорит Денис Малышев. – Отечественные новые соединения смогут поступать в клетку лишь при помощи белков-переносчиков. Без них клетка возвратится к стандартному комплекту ATGC, а молекулы d5SICS и dNaM провалятся сквозь землю из её генома».

Авторы изучения рассчитывают, что в будущем найдётся метод создать всецело синтетический и способный к размножению штамм бактерий. Для этого требуется подобным методом увеличить «алфавит» РНК и, быть может, поменять сами рибосомы.

Жгутиковая бактерия против Дарвина


Похожие статьи:

Понравилась статья? Поделиться с друзьями: