Ученые создали бактерию с новым геномом

Две научные группы независимо друг от друга создали бактерию E. сoli с новым геномом, используя методы, исследующие пределы генетического перепрограммирования и открывающие новые возможности в биотехнологии.

Ученые, работающие над одним из проектов, создали первый в мире организм с полностью перекодированным геномом. Для этого они во всем геноме кишечной палочки заместили все кодоны (тройки нуклеотидов, кодирующие аминокислоты), которых у бактерии 321, на новые и поместили перепрограммированный вариант обратно в клетку. В результате бактерия начала синтезировать белки, не встречающиеся в природе.

Специалисты, работающие над другим проектом, удалили по 13 кодонов из 42 генов E. coli (для каждого гена использовался новый организм), и заместили их другими кодонами с аналогичной функцией. В итоге 24% ДНК в 42 таргетных генах была изменена, но полученный организм синтезировал белки, идентичные белкам, продуцируемым с оригинальных генов.

«Первый проект демонстрирует, что можно удалить кодон из генома и успешно перераспределить его функцию. Результаты второго проекта свидетельствуют о том, что можно без функциональных потерь заменить все 13 кодонов, выбранных для исследования», – говорит Марк Ладжой (Marc Lajoie), аспирант из лаборатории Джорджа Черча (George Church) при Гарвардской Медицинской Школе (Harvard Medical School, США).

Результаты этих исследований были недавно опубликованы в журнале Science. Руководителем исследований был Джордж Черч, профессор генетики из Гарвардской Медицинской Школы, преподаватель из Института Биоинженерии Уайса (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, США). Соруководителем первого исследования стал Фаррен Исаакс (Farren Isaacs), доцент молекулярной и клеточной биологии и биологии развития из Йельской Школы Медицины (Yale School of Medicine, США).

Повышение безопасности, продуктивности и гибкости применения биотехнологии

Перекодированные геномы могут помочь защитить организм от вирусов, ограничивающих производительность в биотехнологической индустрии. Они также могут препятствовать распространению на дикие организмы потенциально опасных характеристик, возникших в результате генетического модифицирования.

По словам Черча, в случае генетического перепрограммирования организмов важно понять причины, по которым оно производится. «Это исследование является частью проекта, направленного на повышение безопасности, производительности и гибкости биотехнологий», – говорит Черч.

По мнению Исаакса, полученные результаты могут стать новым инструментом биотехнологий. «Например, добавление долго существующих полимеров к терапевтическим молекулам может повысить период их функциональной активности в кровеносной системе человека», – говорит он.

Однако, чтобы вызвать подобный эффект в организме, необходимо одномоментно заменить большие области генома.

По словам Черча, если ученые внесут небольшие изменения в геном бактерии, незначительно повысив ее резистентность к воздействию вируса, то последний должен приспособиться к этим изменениям. В результате «сражение» между бактерией и вирусом будет выглядеть как «шаг вперед», сразу после которого совершается «шаг назад». По его мнению, эффективно изменить геном микроорганизма можно только в том случае, если проводить эти изменения в изолированной бактерии, а затем продемонстрировать ее вирусу. «В природе не существует такого разнообразия популяции вирусов, чтобы приспособиться к микроорганизму с совершенно новым геномом», – говорит Черч.

В первом исследовании ученые получили организм, обладающий повышенной резистентностью к инфицированию вирусами. По словам Черча, такие геноинженерные микроорганизмы с «совершенно новым геномом» не смогут выйти в популяцию диких организмов, поскольку их геном будет несовместим с «диким» геномом. Это свойство, конечно, может стать значимым преимуществом при создании штаммов, обладающих, например, резистентностью к лекарственным препаратам или пестицидам. Однако, внедрение новых аминокислот в геноинженерные организмы приведет к получению штаммов, выживающих только в лабораторных условиях.

Инженерия и эволюция

Поскольку наличие даже одного генетического изменения может вызвать гибель организма, ученым было трудно получить бактерию, имеющую сразу несколько специфических генетических изменений. Специалисты, работающие в обоих проектах, уделяли особое внимание разработке методологического подхода к планированию, осуществлению изменений в геноме микроорганизма, а также устранению возможных проблем, ассоциированных с производимыми изменениями.

«Мы хотели разработать эффективный метод создания желаемого генома и быстрого выявления любых проблем, начиная от сконструированных недостатков и заканчивая нежелательными мутациями, и разработать способ обойти возникающие сложности», – говорит Ладжой.

В работе ученые использовали технологии, созданные в лаборатории Черча и Институте Биоинженерии Уайса, а также методы секвенирования нового поколения, ДНК синтеза на чипе, инструменты редактирования генома MAGE и CAGE. По словам исследователей, особое значение при проведении экспериментов имел естественный отбор.

«При создании геноинженерного штамма E. coli мы можем создать несколько миллиардов прототипов, а затем позволить лучшему из них выжить. В этом фантастическая сила эволюции», - говорит Черч.

Фотография E. сoli, полученной учеными из Института Биоинженерии Уайса (фото: Rick Groleau)

По материалам Harvard Medical School

Оригинальная статья:
M. J. Lajoie, A. J. Rovner, D. B. Goodman, H.-R. Aerni, A. D. Haimovich, G. Kuznetsov, J. A. Mercer, H. H. Wang, P. A. Carr, J. A. Mosberg, N. Rohland, P. G. Schultz, J. M. Jacobson, J. Rinehart, G. M. Church, F. J. Isaacs. Genomically Recoded Organisms Expand Biological Functions. Science, 2013; 342 (6156): 357 DOI: 10.1126/science.1241459