Профессору Норикадзу Итихаши и его коллегам из Токийского университета впервые удалось добиться внеклеточной экспрессии генов искусственной ДНК с последующим воспроизводством этой ДНК.
Способность к размножению (и, как следствие, к эволюции) — одна из определяющих характеристик живого. И давний вызов для учёных — разработать искусственную молекулярную систему, способную размножаться и эволюционировать. Уже сейчас модифицированные микроорганизмы используются для производства медпрепаратов, и это направление быстро и устойчиво развивается, обещая регулярное появление новых интересных результатов. Технологии на основе дизайнерских микроорганизмов смогут, например, сократить количество вредных выбросов производств и изменить индустрию переработки бытового мусора. Для того, чтобы это стало возможным, требуется полное понимание всех процессов в создаваемых системах — только тогда они будут под полным контролем и станут производить именно то, что запланировано, без неожиданных побочных эффектов.
В лаборатории Итихаши используются хорошо известные и очищенные от примесей белки и РНК — созданная учёными бесклеточная система транскрипции и трансляции не содержит неизвестных «деталей».
Учёным удалось произвести белки, основываясь на информации, заложенной в ДНК, и далее воспроизвести исходную кольцевую ДНК. Использовалась несущая необходимые для репликации два гена кольцевая ДНК (искусственная геномная ДНК) и вышеупомянутая бесклеточная система транскрипции-трансляции. Кроме того, была показана способность такой ДНК эволюционировать — за время эксперимента зафиксировано десятикратное увеличение эффективности репликации (цикл репликации ДНК продолжался в течение двух месяцев).
Добавив в разработанную японцами искусственную геномную ДНК гены, необходимые для транскрипции и трансляции, в будущем можно будет создать искусственные клетки. Они будут расти автономно, получая необходимые для этого низкомолекулярные соединения — аминокислоты и нуклеотиды. Когда такие искусственные клетки будут созданы, мы можем ожидать, что полезные вещества, производимые в настоящее время с использованием модифицированных живых организмов, станут доступнее и качественнее.
На схеме:
Система состоит из кольцевой ДНК и специально для этой цели изменённой бесклеточной системы экспрессии генов (основанной на системе экспрессии бактерии E. coli), включая РНК-полимеразу T7 и dNTP. Кольцевая ДНК содержит гены ДНК-полимеразы phi29 и рекомбиназы Cre под промотором T7 и сайтом loxP для рекомбинации рекомбиназой Cre.
Сначала ДНК-полимераза phi29 и рекомбиназа Cre экспрессируются посредством транскрипции и трансляции.
Затем экспрессируемая ДНК-полимераза phi29 инициирует репликацию по кругу для получения длинной одноцепочечной ДНК и в дальнейшем синтезирует комплементарную нить для получения длинной двухцепочечной ДНК.
В завершение рекомбиназа Cre катализирует гомологичную рекомбинацию в сайтах loxP для воспроизведения кольцевой ДНК. Система инкапсулируется в микрокапли и продолжает репликацию в течение многих поколений, а в ДНК накапливаются мутации, что даёт возможность эволюции.
