Модифицированные микробы не смогут «сбежать»

Критики генной инженерии долгое время беспокоились насчет риска возможного «побега» модифицированных организмов в окружающую среду. Стратегия биологического сдерживания, описанная в публикациях журнала Nature [1, 2], снизит подобные тревоги и позволит расширить использование биоинженерных организмов в таких областях, как сельское хозяйство, медицина и очищение окружающей среды.

Две группы исследователей из США создали генетически модифицированные (ГМ) бактерии, зависимые от аминокислот, не существующих в природе. Бактерии успешно размножаются в лаборатории, пока искусственная аминокислота входит в состав их диеты. Однако в нескольких экспериментах с участием не менее 100 млрд. клеток, и длившихся до 20 дней, не было обнаружено ни одной бактерии, способной выжить в отсутствие искусственного питательного субстрата.

«Наши штаммы, насколько мы можем проследить за ними, не «сбегают», – говорит Дэн Манделл (Dan Mandell), специалист по синтетической биологии в Медицинской Школе Гарварда (Harvard Medical School) в Бостоне, автор одной из двух статей, описывающих стратегию.

Кроме того, экспериментальные микроорганизмы не могут заменить свою модифицированную ДНК натуральными эквивалентами, поскольку они больше не способны оперировать общепонятным биохимическим языком. «Обеспечение безопасности и охраны от «побега» действительно сделает возможным широкое и открытое применение инженерных организмов», – говорит Фаррен Айзекс (Farren Isaacs), специалист по синтетической биологии в Йельском Университете (Yale University), руководитель второго исследования.

Биологическое сдерживание могло бы обеспечить дополнительную безопасность биологического производства лекарственных препаратов или топлива, где микроорганизмы могли бы использоваться для «отгораживания» от окружающей среды. Однако с помощью модифицированных бактерий также можно будет реализовать контролируемое «проникновение» в организм человека или окружающую среду. «Сдерживание больше не будет физической задачей», – комментирует Том Эллис, синтетический биолог Имперского Колледжа Лондона (Imperial College London, Великобритания), не участвовавший в исследованиях.

Новый подход разработан в лаборатории Джорджа Черча (George Church), генетика из Медицинской Школы Гарварда. Два года назад Черч и его группа, в состав которой входил Айзекс, сообщила о получении штамма кишечной палочки Escherichia coli, обладающей перепрограммированным генетическим кодом [3]. Вместо распознавания определенного триплетного кодона ДНК «amber» (UAG) как терминаторного (сигнализирующего об окончании синтеза белка), бактерия с измененным кодом воспринимает эту последовательность как указание на внедрение новой аминокислоты в свои белки.

Черч и Айзекс независимо создали бактерию, зависящую от несуществующей в природе аминокислоты. Для выявления сайтов бактериальных белков, куда организм мог бы вставить синтетическую аминокислоту, не затронув функционирование клетки, группа Айзекса использовала генетическое секвенирование, в то время как команда Черча начала со структуры белков, добавляя элементы для внедрения и накопления искусственных аминокислот.

«Это стало кульминацией десятилетней работы», – рассказывает Черч.

ГМ организмы более устойчивы к вирусам, чем их природные аналоги, из-за разницы между генетическим кодом вирусов и их хозяев. Размышляя о перспективах, Черч и его коллеги работают над вводом семи различных кодонов вместо одного. «Этого будет более чем достаточно для устойчивости ко всем вирусам и создания широких возможностей обеспечения безопасности», – поясняет исследователь.

Помимо этого Айзекс разработал отдельную систему обеспечения сохранности, в которой ГМ E.coli может расти только в окружающей среде, содержащей синтетические вещества, необходимые для экспрессии генов. Он описал свою разработку в публикации в журнале Nucleic Acids Research [4]. Еще одна исследовательская команда, возглавляемая Джефом Беке (Jef Boeke) в Медицинском Центре Лангон при Университете Нью-Йорка (New York University Langone Medical Center, США ) и Патриком Йижи (Patrick Yizhi) из Университета Эдинбурга (University of Edinburgh, Великобритания), работает над аналогичной стратегией с дрожжами. У часто используемых в промышленности и биотехнологии дрожжей генетический материал упакован в хромосомы, подобные хромосомам животных и растений, и отличные от бактерий.

«Нашу стратегию можно легко приспособить к другим организмам, помимо E. сoli, – говорит Айзекс, чья исследовательская группа сейчас занимается разработкой бактерии, зависящей как от синтетических веществ, так и от искусственных аминокислот, – Я думаю, в конце концов, методы биосдерживания будут одновременно использовать множество подходов в одном организме».

Ученые могут создавать полностью синтетические живые организмы для различных медицинских, сельскохозяйственных и других целей, которые, однако, не способны будут «выйти» в окружающую среду.

Специалисты по синтетической биологии надеются лечить заболевания кишечника, воздав молочнокислую бактерию Lactobacillus (на фото), зависящую от искусственной аминокислоты. (фото: Mediscan/Corbis)

По материалам NatureNews

Оригинальная статья:
Nature 517, 423 (22 January 2015) doi:10.1038/517423a

Литература:
1. Mandell, D. J. et al. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature14121 (2015).
2. Rovner, A. J. et al. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature14095 (2015).
3. Lajoie, M. J. et al. Science 342, 357–360 (2013).
4. Gallagher, R. R., Patel, J. R., Interiano, A. L., Rovner, A. J. & Isaacs, F. J. Nucleic Acids Res. http://dx.doi.org/10.1093/nar/gku1378 (2015).