Учёные создали вариант кишечной палочки E. coli с полностью синтетическим геномом, о чём сообщается в статье, опубликованной в Nature.
Создание и замена целого генома была лишь одной из нескольких целей группы учёных из Лаборатории молекулярной биологии (Laboratory of Molecular Biology) Совета по медицинским исследованиям (Medical Research Council) в Кембридже. Они предполагали, что в результате получат бактерии, использующие меньшее число возможных комбинаций пар оснований ДНК для производства 20 аминокислот. В будущем планируется, что такие последовательности могут быть использованы для производства ранее не существовавших аминокислот и белков.
Суть исследования заключается не только в перестройке генетического кода бактерий, но и в уменьшении избыточности — чтобы было больше генетического кода для создания настраиваемых геномов.
Генетический код записывается с помощью четырёх «букв», они представляют собой молекулы аденина, тимина, цитозина и гуанина. Эти нуклеотиды могут состоять из 64-х трёхбуквенных «кодонов», большая часть из них соответствует аминокислотам, составляющим основу белков, обеспечивающих жизнедеятельность организма. Все аминокислоты, за исключением двух, закодированы множеством синонимичных кодонов. Исследователи хотели узнать, можно ли переписать геном бактерии E. coli с помощью меньшего количества кодонов. Это похоже на процесс переписывания английского словаря с заменой всех звуков «k» буквой k вместо c, ck или q.
Для создания генома понадобилось предварительное редактирование. Исследователи разработали геном, в котором заменили два кодона, кодирующие аминокислоту серин синонимами. То же они повторили с терминирующим трансляцию кодоном, сообщающим клеточным функциям, когда остановить считывание цепочки ДНК при создании белка. Затем исследователи создали свою ДНК, используя различные лабораторные методы, ранее применявшиеся в синтетической биологии. Им также пришлось заменить синтетической ДНК генетический материал бактерий. Согласно опубликованной статье, они не могли просто разбить геном на части, пересаживая его по кусочкам в живую бактерию, надо было заменить весь геном.
Кишечная палочка выжила, хотя и росла медленнее и была длиннее. Новые клетки кишечной палочки E. coli опирались на 61, а не на 64 кодона.
«Для людей, работающих в области синтетической геномики подобный заголовок исследования весьма интересен. Учёные синтезировали, сконструировали, они показали, что синтетический геном на 4 миллионах парах оснований может работать, — сказал Том Эллис (Tom Ellis), директор Центра синтетической биологии (Center for Synthetic Biology) в Имперском колледже Лондона (Imperial College London), рецензент статьи. — Авторы исследования продвинулись дальше, чем кому-либо удавалось».
Существует несколько областей потенциального применения синтетического генома. Есть очевидные приложения в области биотехнологии — устранение избыточности позволяет исследователям экспериментировать с дополнительными кодонами, разрабатывать новые аминокислоты, белки и бактерии. Кодонный обмен также является средством защиты от вирусов, нарушающих защиту клетки. Это быстро развивающаяся область, и только несколько научных групп занимаются заменой генома такого рода.
Методы, используемые исследователями, обеспечивают также «план будущего синтеза генома». Учёные надеются выяснить, насколько они могут упорядочить геном E. coli, и что возможно сделать с высвободившимися кодонами.