Создана первая живая бактерия с чужеродными «буквами» в ДНК

Миллиарды лет история жизни записывалась с помощью только четырех букв – A, T, C и G, сокращенными названиями структурных элементов ДНК, содержащихся во всех живых организмах. По словам ученых, после того, как недавно была создана жизнеспособная клетка, геном которой содержит сразу два «чужеродных» структурных элемента, образующих ДНК, количество букв в этом алфавите увеличилось.

Многие специалисты назвали результаты эксперимента настоящим прорывом в этой научной области, поскольку они приближают ученых к созданию искусственной клетки, способной производить лекарственные препараты и другие полезные молекулы. Кто знает, возможно, однажды ученые смогут создать искусственную клетку, которая не будет содержать ни одного из четырех оснований ДНК, входящих в состав всех живущих на Земле организмов.

По словам Флойда Ромесберга (Floyd Romesberg), специалиста в области химической биологии из Исследовательского Института Скриппса в Ла-Хойя (Scripps Research Institute in La Jolla, США), в течение 15 лет руководившего этим исследованием, ученые получили жизнеспособную клетку, которая хранит генетическую информацию в искусственных «буквах». Результаты исследования недавно были опубликованы он-лайн в журнале Nature [1].

Каждая молекула ДНК представляет собой двойную нить, закрученную в спираль, остов которой образуют молекулы сахаров с присоединенными к ним азотистыми основаниями. В живых организмах встречается четыре типа оснований: аденин (А), тимин (Т), цитозин (С) и гуанин (G). Эти буквы представляют собой код для аминокислотных структурных элементов, образующих белки. Основания могут находиться на любой из двух спиралей ДНК, при этом А образует связь с Т, расположенном на противоположной цепочке ДНК (или наоборот), а C по аналогичному принципу – с G.

«Буквы из пробирки»

Еще в 1960-х гг. у ученых возник вопрос, может ли живой организм хранить генетическую информацию с помощью других химических соединений. Но только в 1989 г. Стивен Беннер (Steven Benner) из Швейцарского Государственного Технологического Института в Цюрихе (Swiss Federal Institute of Technology, Швейцария) и его исследовательская команда смогли внедрить модифицированные молекулы цитозина и гуанина в ДНК. Во время лабораторных химических реакций нити, состоящие из «смешных букв», как назвал их Беннер, смогли копировать себя и кодировать молекулы РНК и белки [2].

По словам Беннера, основания, полученные исследовательской командой под руководством Ромесберга, являются более чужеродными для живых организмов, поскольку они имеют мало общих химических черт с четырьмя встречающимися в природе основаниями. В исследовании, результаты которого были опубликованы в 2008 г., и в последующих экспериментах научная группа пыталась найти пары оснований из списка химических соединений, состоящего из 60 оснований-кандидатов, и для этого провела скрининг более 3600 возможных комбинаций этих соединений. Ученые обнаружили пары оснований, известных под названием d5SICS и dNaM, которые могли быть эффективно использованы в дальнейших экспериментах [3]. В частности, молекулы должны были быть совместимы с ферментным механизмом, который копирует и транслирует молекулы ДНК в клетке.

По словам Дениса Малышева (Denis Malyshev), бывшего аспиранта из лаборатории Ромесберга, принимавшего участие в этом исследовании, сначала ученые не думали о том, чтобы создать организм с внедренными в его ДНК чужеродными основаниями. Работая с лабораторными реакциями, ученые смогли сделать так, чтобы искусственные пары оснований скопировали себя и транскрибировались в РНК, то есть искусственные основания были распознаны ферментами, которые эволюционировали таким образом, чтобы распознавать только природные «буквы» – A, T, C и G.

Первая сложность при создании «чужеродной» жизни заключалась в обеспечении клетки чужеродными основаниями, необходимыми для того, чтобы сохранить молекулу ДНК во время последующих клеточных делений, во время которых происходит ее копирование. Исследовательская команда сконструировала бактерию Escherichia coli таким образом, чтобы в ней экспрессировался ген одноклеточной диатомовой водоросли, позволяющий молекулам проникать через мембрану бактерий.

Затем ученые создали короткую кольцевую молекулу ДНК, называемую плазмидой, содержащую единственную пару чужеродных оснований, и внедрили ее в клетки E. coli. Белок диатомовой водоросли, внедренный в геном бактерии, обеспечил поступление чужеродных нуклеотидов внутрь клетки. В результате произошло копирование плазмиды, и она передавалась последующим поколениям делящихся клеток E. coli в течение приблизительно недели. Когда в клетку прекратилось поступление чужеродных нуклеотидов, бактерия заменила искусственные основания на основания, встречающиеся в природе.

Искусственный контроль

По мнению Малышева, способность контролировать потребление чужеродных оснований ДНК является мерой безопасности, которая будет препятствовать выживанию не существующих в природе клеток за пределами лаборатории, если они окажутся за ее пределами. Однако другие ученые, включая Беннера, пытаются создать клетки, способные синтезировать чужеродные основания из имеющихся молекул, таким образом, решив проблему постоянного поступления нужных реагентов в искусственную клетку.

Исследовательская группа под руководством Ромесберга работает над тем, чтобы получить чужеродную ДНК, кодирующую белки, содержащие любые другие аминокислоты, кроме 20 аминокислот, которые составляют практически все встречающиеся в природе белки. Аминокислоты кодируются «кодонами», каждый из которых состоит из трех букв ДНК, поэтому внедрение только двух чужеродных «букв» в ДНК во много раз увеличит способность клетки кодировать новые аминокислоты.

Потенциальные области применения новой технологии включают внедрение токсичных аминокислот в белок для уничтожения злокачественных клеток, получение светящихся аминокислот, которые могут помочь специалистам исследовать биологические реакции под микроскопом. Исследовательская команда под руководством Ромесберга планирует сотрудничать с компанией Synthorx (Сан Диего, США), которая согласилась коммерциализировать изобретенную учеными технологию.

По словам Беннера, многие ученые считали, что достигнуть результатов, полученных Ромесбергом, невозможно, поскольку химические реакции, в которых задействована молекула ДНК, например, репликация, должны быть чрезвычайно чувствительными, чтобы избежать возникновения мутаций.

Не встречающаяся в природе E. coli содержит только одну пару чужеродных оснований ДНК из миллионов пар оснований. По словам Беннера, нет причин, из-за которых не возможно получить клетку с полностью чужеродной ДНК.

Однако создание полностью искусственного организма может оказаться большой проблемой. «Люди могут много раз повторять, что получат живой организм, полностью состоящий из искусственной ДНК. Но этого не произойдет, поскольку в организме слишком много систем, распознающих ДНК. Эта молекула слишком сильно интегрирована в каждый аспект жизни клетки», – говорит Ромесберг.

Внедрение новых букв в «алфавит жизни» позволит ученым значительно расширить спектр белков, синтезируемых клеткой. (фото: Synthorx)

По материалам NatureNews

Оригинальная статья: Nature doi:10.1038/nature.2014.15179

Литература:
1. Malyshev, D. A. et al. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature13314 (2014).
2. Switzer, C., Moroney, S. E. & Benner, S. A. J. Am. Chem. Soc. 111, 8322–8323 (1989).
3. Leconte, A. M. et al. J. Am. Chem. Soc. 130, 2336–2343 (2008).