Международная группа ученых из США, Франции и Китая создала полусинтетическую форму жизни. Хотя попытки получения бактерии с видоизмененной ДНК уже предпринимались, микроорганизмы плохо размножались, требовали особых условий выращивания и в конце концов избавлялись от внедренных в них модификаций. Рассказываем о новой работе, в которой исследователям удалось решить эти проблемы, получив существо, которое кардинально отличается от всей естественной жизни на Земле.
Еще совсем недавно ДНК всех живых организмов на нашей планете состояла из нуклеотидов четырех типов, содержащих аденин (А), либо тимин (Т), либо гуанин (G) либо цитозин (С). Цепочки из десятков или сотен миллионов нуклеотидов образуют отдельные хромосомы. Гены, находящиеся в хромосомах, по сути представляют собой длинные нуклеотидные последовательности, в которых зашифрованы аминокислотные последовательности белков. Комбинация трех идущих друг за другом нуклеотидов (кодон или триплет) соответствует одной из 20 аминокислот. Таким образом, жизнь использует трехбуквенный генетический код (ATG, CGC и так далее), основанный на четырехбуквенном алфавите (A, C, T, G).
Когда клетке организма необходим какой-нибудь белок (полипептид), включается кодирующий его ген. К последнему прикрепляется специальный фермент, называемый РНК-полимеразой, который в процессе транскрипции начинает идти вдоль последовательности нуклеотидов и создавать ее копию в виде молекулы, называемой информационной РНК (иРНК). РНК очень похожа на ДНК, однако вместо тимина в ней содержится урацил (U). После этого иРНК выходит из ядра клетки и направляется к рибосомам, где она в процессе трансляции служит рецептом по созданию аминокислотной цепи белка.
Исследователи решили изменить генетический код кишечной палочки Escherichia coli, добавив в него дополнительные две «буквы». Дело в том, что ДНК в живых организмах является двойной, то есть образована двумя цепями, которые спарены друг с другом комплементарными связями. Такие связи образуются между основанием А-нуклеотида из одной цепи и основанием Т-нуклеотида из другой (аналогично, между С и G). Именно поэтому два новых синтетических нуклеотида также должны уметь комплементарно спариваться. Выбор пал на dNaM и d5SICS.
Одна пара синтетических нуклеотидов была встроена в плазмиду — двуцепочечную кольцевую молекулу ДНК, способную размножаться отдельно от всего остального генома бактерии. Ими заменили пару комплементарных нуклеотидов А и Т, находившихся в составе лактозного оперона — совокупности генов, которые осуществляют метаболизм сахара лактозы, и связанных с ними некодирующих последовательностей ДНК. Синтетические нуклеотиды не входили в область, которую полимераза копирует в иРНК.
Почему ученые решили не вставлять синтетические нуклеотиды прямо в ген, а рядом с ним? Дело в том, что ген таким образом изменить очень сложно, чтобы он сохранял работоспособность. Ведь для этого нужно привязать получившиеся новые кодоны к какой-либо аминокислоте. Для этого, в свою очередь, нужно научить клетку производить различные типы транспортных РНК (тРНК), которые смогут эти кодоны узнавать.
Молекулы тРНК выполняют следующую функцию. Они, подобно грузовикам, несут на одном из концов определенную аминокислоту, подходят к иРНК в рибосомах и по очереди начинают сверять триплет нуклеотидов на другом своем конце с кодоном. Если они совпадают, аминокислота отрывается и встраивается в белок. Однако, если нет ни одной подходящей тРНК, белок синтезирован не будет, что может самым негативным образом отразиться на жизнеспособности клетки. Поэтому, встроив синтетические нуклеотиды в гены, ученые должны были бы еще создать гены, кодирующие новые тРНК, способные узнавать искусственные кодоны и присоединять к полипептиду правильную аминокислоту. Однако задача исследователей была проще. Им нужно было убедиться, что плазмида с синтетическими нуклеотидами будет успешно размножаться и передаваться дочерним организмам.
Эта плазмида, обозначаемая pINF, была внесена в E.coli. Однако для ее копирования необходимо, чтобы внутри клетки бактерии присутствовало множество нуклеотидов. Для этой цели в кишечную палочку была помещена другая плазмида — pCDF-1b. В ней находился ген диатомовой водоросли Phaeodactylum tricornutum PtNTT2, который кодирует белок NTT, транспортирующий нуклеотиды из питательной среды в клетку.
Однако ученые столкнулись с рядом трудностей. Во-первых, белки Phaeodactylum tricornutum оказывают токсическое воздействие на клетку E.coli. Все из-за наличия в них фрагмента аминокислотной последовательности, которая несет в себе сигнальную функцию. Благодаря ей белок занимает правильное положение в клетке водоросли, после чего последовательность удаляется. E.coli не способна удалить этот фрагмент, поэтому исследователи помогли ей. Они смогли удалить первые 65 аминокислот из NTT. Это значительно уменьшило токсичность, хотя также уменьшило и скорость транспорта нуклеотидов.
Другая проблема заключалась в том, чтобы синтетические нуклеотиды долгое время сохранялись в плазмидах, а не заменялись при копировании ДНК. Как выяснилось, их сохранность зависела от того, какие нуклеотиды их окружали. Чтобы выяснить это, ученые проанализировали различные комбинации, встроенные в 16 плазмид. Чтобы понять, выпал ли синтетический нуклеотид из последовательности, исследователи использовали технологию CRISPR/Cas9.
CRISPR/Cas9 — молекулярный механизм, существующий внутри бактерий и позволяющий им бороться с бактериофагами. Иными словами, эта технология представляет собой иммунитет против вирусных инфекций. CRISPR — это особые участки ДНК. В них содержатся короткие фрагменты ДНК-вирусов, которые когда-то заражали предков существующих ныне бактерий, но были побеждены их внутренней защитой.
Когда бактериофаг проникает внутрь бактерии, эти фрагменты используются в качестве шаблона для синтеза молекул, называемых crРНК. Образуется множество различных цепочек РНК, они связываются с белком Cas9, задача которого — разрезать ДНК вируса. Сделать это он сможет только после того, как crРНК найдет комплементарный ей фрагмент вирусной ДНК.
Если вместо crРНК использовать последовательность РНК, комплементарную определенному фрагменту плазмиды, то Сas9 разрежет и плазмиду. Но если в том фрагменте синтетические нуклеотиды, то белок не сработает. Таким образом, с помощью CRISPR можно выделить те плазмиды, которые устойчивы к нежелательным мутациям. Оказалось, что у 13 из 16 плазмид потери синтетических нуклеотидов были незначительными.
Тем самым исследователям удалось создать организм с фундаментальными изменениями в ДНК, способный сохранять их в себе бесконечно долго.
Хотя полусинтетическая форма жизни имеет в своем геноме лишь два ненатуральных нуклеотида, которые не находятся в составе кодонов и не участвуют в кодировании аминокислот, она представляет собой первый устойчивый организм, чей ДНК-алфавит состоит из шести букв. В будущем ученые, скорее всего, сумеют использовать это новшество для синтеза белков, тем самым создав полноценный искусственный генетический код.