Tarptautinė mokslininkų grupė iš JAV, Prancūzijos ir Kinijos sukūrė pusiau sintetinę gyvybės formą. Nors bandymų gauti bakterijas su modifikuota DNR jau buvo bandyta, mikroorganizmai blogai dauginosi, reikalavo specialių auginimo sąlygų ir galiausiai atsikratė jose įvestų modifikacijų. „Lenta.ru“pasakoja apie naują darbą, kuriame tyrėjams pavyko išspręsti šias problemas, įsigijus būtybę, kuri kardinaliai skiriasi nuo visos natūralios gyvybės Žemėje.
Ne taip seniai visų mūsų planetos gyvų organizmų DNR susidarė iš keturių tipų nukleotidų, turinčių adenino (A), timino (T), arba guanino (G), arba citozino ©. Dešimčių ar šimtų milijonų nukleotidų eilutės sudaro atskiras chromosomas. Chromosomose esantys genai iš esmės yra ilgos nukleotidų sekos, kuriose užkoduotos baltymų aminorūgščių sekos. Trijų vienas po kito einančių nukleotidų (kodono arba tripleto) derinys atitinka vieną iš 20 aminorūgščių. Taigi gyvenimas naudoja trijų raidžių genetinį kodą (ATG, CGC ir pan.), Pagrįstą keturių raidžių abėcėle (A, C, T, G).
Kai organizmo ląstelei reikia baltymo (polipeptido), įjungiamas ją koduojantis genas. Pastarasis yra prijungtas prie specialaus fermento, vadinamo RNR polimeraze, kuris, vykstant transkripcijai, pradeda sekti nukleotidų seką ir sukurti jos kopiją molekulės, vadinamos pasiuntine RNR (mRNR), pavidalu. RNR yra labai panaši į DNR, tačiau vietoj timino joje yra uracilo (U). Po to mRNR palieka ląstelės branduolį ir nukreipiama į ribosomas, kur vertimo proceso metu ji naudojama kaip receptas baltymo aminorūgščių grandinei sukurti.
Tyrėjai nusprendė pakeisti Escherichia coli genetinį kodą, pridėdami prie jo dar dvi „raides“. Faktas yra tas, kad gyvų organizmų DNR yra dviguba, tai yra, ją sudaro dvi grandinės, kurios yra tarpusavyje suporuotos papildomais ryšiais. Tokie ryšiai susidaro tarp A-nukleotido pagrindo iš vienos grandinės ir T-nukleotido bazės iš kitos (panašiai, tarp C ir G). Štai kodėl du nauji sintetiniai nukleotidai taip pat turi sugebėti vienas kitą papildyti. Pasirinkimas atitiko „dNaM“ir „d5SICS“.
E. coli Escherichia coli
Nuotrauka: Rocky Mountain Laboratories / NIAID / NIH
Viena sintetinių nukleotidų pora buvo įterpta į plazmidę - dvigrandę žiedinę DNR molekulę, galinčią daugintis atskirai nuo likusio bakterijos genomo. Jie pakeitė porą papildomų nukleotidų A ir T, kurie buvo laktozės operono dalis - genų, metabolizuojančių laktozės cukrų, rinkinį ir su jais susijusias nekoduojančias DNR sekas. Sintetiniai nukleotidai nebuvo įtraukti į regioną, kurį polimerazė kopijuoja iRNR.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Kodėl mokslininkai nusprendė ne įterpti sintetinių nukleotidų tiesiai į geną, o šalia jo? Faktas yra tai, kad labai sunku pakeisti geną tokiu būdu, kad jis išliktų funkcionalus. Galų gale, tam reikia susieti gautus naujus kodonus su bet kokia aminorūgštimi. Tam, savo ruožtu, būtina išmokyti ląstelę gaminti įvairių tipų transportinę RNR (tRNR), kuri gali atpažinti šiuos kodonus.
TRNR molekulės atlieka šią funkciją. Jie, kaip ir sunkvežimiai, viename gale turi tam tikrą aminorūgštį, artėja prie ribosomose esančios MRNR ir, savo ruožtu, pradeda derinti nukleotidų tripletą kitame gale su kodonu. Jei jie sutampa, amino rūgštis pašalinama ir įtraukiama į baltymą. Tačiau jei nėra tinkamos tRNR, baltymas nebus sintetinamas, o tai gali neigiamai paveikti ląstelių gyvybingumą. Todėl įvedę sintetinius nukleotidus į genus, mokslininkai turėtų sukurti genus, kurie koduoja naujas tRNR, galinčias atpažinti dirbtinius kodonus ir prie polipeptido prijungti teisingą aminorūgštį. Tačiau tyrėjų užduotis buvo paprastesnė. Jie turėjo įsitikinti, kad plazmidė su sintetiniais nukleotidais sėkmingai dauginasi ir perduodama dukteriniams organizmams.
Plazmidės, naudojamos Escherichia coli transformuoti
Vaizdas: Denis A. Malyshev / Kirandeep Dhami / Thomas Lavergne / Tingjian Chen / Nan Dai / Jeremy M. Foster / Ivan R. Correa / Floyd E. Romesberg / Gamta / Chemijos katedra / Scripps tyrimų institutas
Ši plazmidė, pavadinta pINF, buvo įterpta į E. coli. Tačiau norint jį nukopijuoti, būtina, kad bakterijos ląstelėje būtų daug nukleotidų. Tuo tikslu į E. coli buvo įterpta kita plazmidė, pCDF-1b. Jame buvo diatomos Phaeodactylum tricornutum PtNTT2 genas, kuris koduoja NTT baltymą, kuris nukleotidus perneša iš maistinės terpės į ląstelę.
Tačiau mokslininkai susidūrė su daugybe sunkumų. Pirma, Phaeodactylum tricornutum baltymai turi toksišką poveikį E. coli ląstelei. Viskas dėl to, kad juose yra aminorūgščių sekos fragmentas, kuris atlieka signalizavimo funkciją. Jos dėka baltymas užima teisingą padėtį dumblio ląstelėje, po to seka pašalinama. E. coli negali pašalinti šio fragmento, todėl tyrėjai jai padėjo. Jie sugebėjo pašalinti pirmąsias 65 aminorūgštis iš NTT. Tai žymiai sumažino toksiškumą, nors ir sumažino nukleotidų pernašos greitį.
Kita problema buvo ta, kad sintetiniai nukleotidai ilgą laiką buvo laikomi plazmidėse, o kopijuojant DNR nebuvo pakeisti. Kaip paaiškėjo, jų saugumas priklausė nuo to, kokie nukleotidai juos supa. Norėdami tai sužinoti, mokslininkai išanalizavo įvairius derinius, įterptus į 16 plazmidžių. Norėdami suprasti, ar sintetinis nukleotidas buvo iškritęs iš sekos, mokslininkai naudojo CRISPR / Cas9 technologiją.
CRISPR / Cas9
Vaizdas: Steve'as Dixonas / Fengas Zhangas / MIT
CRISPR / Cas9 yra molekulinis mechanizmas, egzistuojantis bakterijų viduje ir leidžiantis joms kovoti su bakteriofagais. Kitaip tariant, ši technologija reiškia imunitetą nuo virusinių infekcijų. CRISPR yra speciali DNR dalis. Juose yra trumpi DNR virusų fragmentai, kurie kažkada užkrėtė šių dienų bakterijų protėvius, tačiau buvo nugalėti jų vidine gynyba.
Kai bakteriofagas patenka į bakterijas, šie fragmentai naudojami kaip šablonas molekulių, vadinamų crRNR, sintezei. Susidaro daug skirtingų RNR grandinių, jos jungiasi su Cas9 baltymu, kurio užduotis yra supjaustyti viruso DNR. Tai jis gali padaryti tik po to, kai crRNR randa papildomą viruso DNR fragmentą.
Jei vietoj crRNR naudojama RNR seka, papildanti tam tikrą plazmidės fragmentą, tada Cas9 taip pat supjaus plazmidę. Bet jei tame fragmente yra sintetinių nukleotidų, baltymai neveiks. Taigi, naudojant CRISPR, galima išskirti tas plazmides, kurios yra atsparios nepageidaujamoms mutacijoms. Paaiškėjo, kad 13 iš 16 plazmidžių sintetinių nukleotidų nuostolis buvo nereikšmingas.
Taigi tyrėjams pavyko sukurti organizmą su esminiais DNR pokyčiais, gebantį juos išlaikyti neribotą laiką.
Nors pusiau sintetinės gyvybės formos genome yra tik du nenatūralūs nukleotidai, kurių nėra kodonuose ir kurie nedalyvauja aminorūgščių kodavime, tai yra pirmasis atsparus organizmas, kurio DNR abėcėlė susideda iš šešių raidžių. Ateityje mokslininkai greičiausiai galės naudoti šią naujovę sintetindami baltymus, taip sukurdami visavertį dirbtinį genetinį kodą.
Aleksandras Enikejevas