Генетический код содержит всего четыре основные «буквы». Они могут соединяться, но только в определённых сочетаниях, поэтому основных пар, образующих «перекладины» на «лестнице» ДНК, всего две. И этого оказалось достаточно, чтобы появились бактерии и бабочки, пингвины и люди. Четыре азотистых основания в двух сочетаниях создали жизнь на Земле такой, какую мы её знаем.
Или, по крайней мере, знали до сих пор. Исследователи из Исследовательского института Скриппс (The Scripps Research Institute, TSRI) сообщила о создании первого стабильного полусинтетического организма. Учёные использовали результаты собственной работы 2014 года, в ходе которой им удалось синтезировать новую пару оснований для ДНК. В бактерии, которая появилась на свет в результате нового проекта, помимо обычных азотистых оснований аденина, тимина, гуанина и цитозина (А, Т, Г и Ц), присутствуют ещё два. Авторы работы обозначили их буквами Х и Y.
Профессор Исследовательского института Скриппс Флойд Ромсберг (Floyd Romesberg) и его коллеги продемонстрировали, что созданный ими одноклеточный организм способен сохранить новую пару оснований даже после многократного деления. Результаты исследования опубликованы в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.
Хотя практическое использование нового организма — дело далёкого будущего, исследователи полагают, результаты новой работы могут быть использованы уже сейчас. Например, для придания новых свойств одноклеточным, используемым в процессе поиска новых лекарственных средств.
Создание уникального организма
Когда Ромсберг и его коллеги сообщили о том, что им удалось разработать новую пару азотистых оснований в 2014 г., они также представили модифицированный штамм E. coli, способный встроить это соединение в свой генетический код. Чего модифицированная E. coli не могла, так это стабильно сохранять пару оснований X и Y при делении. Со временем пара X-Y выпадала, ограничивая способность микроорганизма использовать дополнительную информацию, попавшую в его ДНК.
«Недостаточно, чтобы ваш геном был стабилен в течение дня, — рассказывает Ромсберг. — Ваш геном должен быть стабилен на протяжении всей жизни. Если полусинтетический организм планирует стать организмом в полном смысле слова, он должен научиться удерживать эту информацию».
К моменту начала нового проекта в состав коллектива лаборатории вошли магистрант института Скриппс Йорк Чжан (Yorke Zhang) и член Американского онкологического общества (American Cancer Society) Брайан Ламб (Brian Lamb). Совместными усилиями они разработали механизмы, при помощи которых одноклеточный организм научился сохранять искусственную пару оснований в своём генетическом коде.
Для начала Чжан и Ламб, соавторы работы, оптимизировали переносчик нуклеотидов, молекулярный инструмент, необходимый для переноса новых азотистых оснований сквозь клеточную мембрану. «Переносчик использовался и в исследовании 2014 года, но из-за него полусинтетический организм сильно болел», — поясняет Чжан. Исследователям удалось решить эту проблему, модифицировав переносчик. Теперь новому организму гораздо проще расти и развиваться, сохраняя новые основания в своём геноме.
Затем учёные модифицировали предыдущую версию основания Y. Новый Y будет лучше распознаваться ферментами, обеспечивающими синтез ДНК во время её репликации. Это упростило клетке задачу по копированию новой пары оснований.
Новое применение CRISPR-Cas9
На завершающей стадии работы исследователи встроили в организм «систему проверки правописания» на основе CRISPR-Cas9.
Система CRISPR-Cas9 берёт своё начало в механизме «иммунного ответа», характерного для бактерий. Когда бактерия встречает угрозу, например, вирус, она берёт фрагменты генетического материала «врага» и встраивает их в собственный геном. Получается что-то вроде портрета с надписью «разыскивается», повешенного на случай, если встреча с вирусом произойдёт вновь. Тогда «вклеенные» гены можно будет использовать, чтобы создать защитный белок.
Зная это, учёные разработали полусинтетический организм таким образом, чтобы он считал клетки без X и Y враждебными. Таким образом, организмы, не сумевшие сохранить новые основания, будут уничтожаться. А в культуре останутся только клетки, в которых X и Y присутствуют.
«Мы разрешили эту проблему на фундаментальном уровне», — рассказывает Ламб, сейчас работающий исследователем в Vertex Pharmaceuticals.
После всех этих манипуляций полусинтетический организм оказался способен сохранить новые азотистые основания и после 60 циклов клеточной репликации. Это позволяет учёным надеяться, что их детище сможет удерживать X и Y в составе своего генома в течение неограниченного времени.
«[Наша работа] позволяет предположить, что все жизненные процессы могут быть объектом изменений», — заключает Ромсберг.
Руководитель исследования подчёркивает, что результаты работа применимы только к одноклеточному организму. Они не предназначены для использования в более сложных системах. Кроме того, Ромсберг отметил, что на сегодняшний день практическая ценность полусинтетического организма равна нулю. Пока учёным удалось только научить его хранить генетическую информацию.
В будущем исследователи планируют изучить, как новый генетический код транскрибируется в РНК. Эта молекула необходима для синтеза белков на основе информации, содержащейся в ДНК.