Микробы нарушают принципы кодирования ДНК

Считается, что генетический код является универсальным для всех форм жизни на планете. Однако результаты нового исследования американских ученых, недавно опубликованные в журнале Science [1], свидетельствуют о том, что микроорганизмы часто нарушают эти правила.

Полученные данные существенны для создания искусственной жизни: ученые могут сконструировать организмы, не подчиняющиеся общепринятым правилам кодирования ДНК и получить новые формы жизни, устойчивые к действию вирусной инфекции. Предполагается, что подобный подход станет инновационным методом, позволяющим предотвратить инфицирование искусственных организмов. К сожалению, часто встречающиеся исключения из «правил кодирования» могут осложнить процесс получения организмов, которые не передают свою ДНК уже существующим в природе формам жизни.

Ученые под руководством Эдварда Рубина (Edward Rubin) из Института Сборки Генома (Joint Genome Institute) при Министерстве Энергетики США (US Department of Energy) в Уолнат Крик пытались найти «нарушителей правил»» в ДНК и РНК микроорганизмов, полученных из 1776 локализаций, включая 17 локализаций в организме человека. Они искали случаи «перекодирования», во время которых микроорганизм интерпретирует генетический код не так, как это делает большинство организмов.

Исследовательская команда искала случаи, когда стоп-кодоны – генетические последовательности, в норме сообщающие организму о необходимости закончить синтез белка – наоборот, посылают сигнал о продолжении его синтеза, то есть присоединении новой аминокислоты к растущей молекуле белка.

Сначала исследовательская команда выяснила, какие белки могут быть закодированы последовательностью ДНК длиной минимум 1 тыс. оснований, если организм использует традиционную «команду» для остановки синтеза белка. Если эти белки были аномально короткими, то ученые исследовали, мог ли микроорганизм когда-либо интерпретировать стоп-кодон как аминокислоту. По мнению специалистов, это наблюдалось в 31415 образцах и как минимум в 10% последовательностей, полученных из окружающей среды.

Микроорганизмы, «населяющие» человека, были особенно предрасположены к перекодировке – в них были обнаружены более половины всех перекодированных кодонов.

По мнению Рубина, перекодирование можно увидеть в природе, но не на таком уровне, поскольку большинство исследований проводятся на микроорганизмах, которые можно культивировать в лаборатории.

Специалисты по синтетической биологии используют перекодирование для того, чтобы заставить организмы синтезировать новые типы аминокислот с новыми свойствами [2]. Они также надеются использовать метод для того, чтобы блокировать передачу модифицированной ДНК между искусственными и «дикими» формами жизни. В частности, вирусы захватывают синтетический аппарат клетки, чтобы получить большое количество своих копий. Но, если вирус и хозяин по-разному интерпретируют генетический код, то осуществить этот план может быть сложнее.

По мнению специалиста в области биоинженерии Фаррена Исаакса (Farren Isaacs) из Йельского Университета (Yale University, США), полученные данные свидетельствуют о пластичности генетического кода.

По словам Исаакса, позволив ученым создавать перекодированные организмы, которые не могут передать генетическую информацию встречающимся в природе организмам, можно положительно повлиять на биобезопасность. Исаакс потратил шесть лет на то, чтобы перекодировать один из стоп-кодонов в бактерии Escherichia coli с целью внедрения синтетической аминокислоты в ее белки [2]. Однако результаты исследования Рубина показали, что в некоторых условиях окружающей среды, например, в ротовой полости человека, бактерии инфицированы вирусами, которые имеют несовместимый способ кодирования генетической информации. По мнению Рубина, если ученые хотят создать системы защиты, то они должны быть более осторожными.

Джордж Черч (George Church), руководитель проекта перекодирования E. coli [3] из Гарвардского Университета (Harvard University, США), говорит, что, поскольку синтетически перекодированные организмы «перепрыгивают» эволюцию и не подвергаются постоянному действию эволюционного давления, встречающиеся в природе вирусы не смогут инфицировать их так же просто, как «дикие» формы жизни.

Перекодирование может предотвратить передачу модифицированной ДНК от синтетических организмов другим формам жизни, что происходит, например, в том случае, если вирус (красный) инфицирует бактерию (зеленый). (фото: Animated Healthcare Ltd/SPL)

По материалам NatureNews

Оригинальная статья: Nature doi:10.1038/nature.2014.15283

Литература:
1. Ivanova, N. N. et. al. Science 344, 909–913 (2014).
2. Lajoie, M. J. et al. Science 342, 357–360 (2013).
3. Lajoie, M. J. et al. Science 342, 361–363 (2013).