E.coli Syn61: дизайнерская бактерия с самым большим искусственным геномом

Почти десять лет назад пионер генной инженерии Крейг Вентер (John Craig Venter) впервые создал организм с искусственным генетическим материалом. Тогда в научных кругах возникли этические проблемы, а ученые задались вопросом: «А что, если однажды исследователи смогут восстановить человеческий геном и заложить в нем возможности, которые он никогда бы не получил, развиваясь естественным путем?»

Работа над созданием искусственного генома и производство лекарств

Генные инженеры надеются, что искусственные организмы будут создавать лекарства или другие вещества, производство которых обходится сложно и дорого. Впрочем то, что микроорганизмы могут производить лекарства, не новость. Например, генетически модифицированные бактерии на протяжении многих лет вырабатывают гормон инсулин, с помощью которого больные диабетом регулируют уровень сахара в крови.

Те же бактерии, которых биохимики используют для производства инсулина, группа ученых под руководством Джейсона Чина из Кембриджского университета в настоящее время задействует для создания синтетического генетического материала. Это самый большой искусственный геном из когда-либо созданных, о чем имеется отметка в журнале Nature.

«Природа использует 64 кодона (единица генетического кода) для кодирования синтеза белков из генома и выбирает один смысловой кодон из шести синонимов для кодирования каждой аминокислоты. Выбор синонимичного кодона имеет разнообразные и важные роли, и синонимические замены вредны. Здесь мы демонстрируем, что число кодонов, используемых для кодирования канонических аминокислот, может быть уменьшено за счет замены целевых кодонов по всему геному определенными синонимами», – делятся своими наработками ученые.

Для создания кишечной палочки с синтетическим геномом ученым пришлось воспроизвести в лаборатории четыре миллиона пар оснований. Для сравнения, искусственный организм Вентера содержал около миллиона таких строительных блоков ДНК.

С чего всё начиналось: компьютерный дизайн бактерии

Ученым понадобилось два с половиной года для синтезирования бактерии, которую окрестили E. coli Syn61. Изначально ее смоделировали на компьютере. Идея заключалась в том, чтобы создать организм, который использовал бы как можно меньше генетической информации. Такое условие потребовалось, чтобы в генетическом материале оставалось место для «генерации» дополнительных свойств, которые клетка не могла бы создать иначе.

Живой организм с полностью синтетическим геномом

Геном состоит из четырех основных элементов: аденина, цитозина, гуанина и тимина, сокращенно обозначенных как A, C, G и T. Они собраны в геноме в разных порядках. Три последовательных элемента всегда «сообщают» клетке, какую молекулу производить. GCG – это своеобразный код организма для включения аминокислоты аланин в создание белка.

Обычные, природные клетки используют 64 различных таких тройных кода (кодона). Геном Syn61 ученые изменили так, чтобы он производил все необходимые аминокислоты только с 61 кодоном. Таким образом, в геномном пространстве остается кодон из трех искусственных аминокислот, с помощью которых организм мог бы производить материалы с совершенно новыми свойствами.

Затем искусственный генетический материал постепенно вводится в нормальную клетку кишечной палочки, пока он полностью не заменит ее естественный код. «Нам удалось создать живой организм с полностью синтетическим геномом», – сообщает Луиза Функе, которая работает над клетками в лаборатории Чина.

Краткое досье: особенности бактерии E.coli Syn61

E.coli Syn61 может только расшифровать свой собственный генетический материал. Бактерия не способна установить контакт с другими природными организмами, так как не может прочитать их генетический код. А значит, и передать другим бактериям устойчивость к антибиотикам. Поэтому ученые вовсе не обеспокоены, что их методикой будут злоупотреблять.

Скептически относятся исследователи и к возможности создания человека из искусственного генетического материала. Геном человека во много раз сложнее, чем у бактерии. Для этого должны быть воссозданы 3,3 миллиарда пар оснований. В настоящее время исследователи уже даже отказываются от слишком затратного создания генома пивных дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Хотя он состоит из 12 миллионов пар оснований и пока лишь небольшая его часть была произведена искусственно.