Биологи провели радикальную перепись генома кишечной палочки
Термин "лайфхак" (life hacking), который дословно можно перевести как "взлом жизни", обычно относится к полезным советам, умным настройкам или изобретениям, призванным сделать жизнь человека легче. Но недавно команда учёных из Медицинской школы при Гарвардском университете "взломала жизнь" в буквальном смысле. Исследователи сообщили о самой перспективной на сегодняшний день "переписи" генома бактерии: их работа видоизменила 3,8 процента пар оснований в ДНК кишечной палочки Escherichia coli.
Учёные заменили в общей сложности 7 из 64 кодонов микроорганизма (последовательностей, которые кодируют аминокислоты) на другие. Специалистам удалось уменьшить количество кодонов, синтезировав 55 фрагментов ДНК, каждый из которых имел 50 тысяч пар оснований. Есть, правда, одно существенное "но": генетикам ещё только предстоит собрать все эти кусочки в функционирующую E. coli.
Но, несмотря на "недоделанную работу", команда исследователей из Медицинской школы при Гарвардском университете отмечает, что они сделали важный шаг в создании организмов с новыми свойствами. Например, устойчивых к вирусным инфекциям.
Учёные, занимающиеся синтетической биологией, целью которой является проектирование и создание новых биологических систем, не встречающихся в природе. Существует мнение, что эта работа также пригодится для Human Genome Project ("Проект генома человека"). В этой программе учёные стремятся синтезировать геном человека из доступных компонентов.
Кроме того, перепрограммированный геном кишечной палочки может стать новой рабочей лошадкой для различных лабораторных опытов, считают специалисты.
"Результаты исследования говорят о том, что такая радикальная реструктуризация вполне реализуема", — говорит синтетический биолог из Гарвардского университета Джордж Чёрч (George Church).
"Уменьшение с 64 до 57 кодонов является довольно серьёзным видоизменением того, чтобы было создано природой", — отмечает синтетический биолог из Йельского университета Фаррен Айзекс (Farren Isaacs), который работал совместно с Чёрчем в более ранних исследованиях, однако не принимал участия в новом проекте.
По его мнению, это очень важный шаг вперёд для демонстрации своеобразной податливости генетического кода и того, как полностью новый тип биологический функций или свойств может быть извлечён из организма через геномы, которые были перекодированы.
Отметим, что уменьшение числа кодонов с 64 до 57 позволяет не потерять машинерию, необходимую клетке для выживания. Исследователи предполагали, что это технически достижимо: 64 кодонов достаточно для кодирования всех 20 аминокислот, продуцируемых организмом, но для одних и тех аминокислот некоторые кодоны дублируются, а значит, от них потенциально можно избавиться. Что и показали исследователи США.
Учёные из лаборатории Чёрча и другие команды ранее показывали, что вполне возможно перекодировать отдельные аминокислоты в E. coli таким образом, что бактерия могла "принимать" аминокислоты, которые не встречаются в природе.
Такие "перепрограммированные" организмы отличаются высокой устойчивостью к вирусным инфекциям. Причина устойчивости проста: они больше не содержат генетический механизм общий со всеми естественными организмами, который вирусы используют для того, чтобы выжить, внедрившись в клетку "хозяина".
Они также могут быть "запрограммированы" таким образом, чтобы полностью зависеть от синтетических аминокислот в их рационе питания. Это может быть сделано для того, чтобы развеять страх того, что "переписанные" бактерии могут "вырваться из лаборатории" и начать сеять хаос в мире. Такие микроорганизмы не смогут питаться за пределами лаборатории (по крайней мере, первое время, пока не мутируют и не перестроятся).
Технология перекодировки использует все самые последние наработки в этой области и, вероятно, ещё несколько лет назад об этом нельзя было и подумать. Скорость проектирования и синтеза ДНК (сегодня этим может заняться любой желающий) значительно выросла за последние десятилетия, что позволяет воплотить в жизнь самые амбициозные генно-инженерные проекты.
Так, в марте 2016 года учёные во главе с Крейгом Вентером из Института Крейга Вентера в Калифорнии заявляли, что создали искусственный геном, основанный на геноме бактерии, в котором были удалены все "ненужные" гены. Но геном того организма был на порядок меньше, чем у нынешней E. coli.
В настоящий момент Чёрч и его коллеги пытаются "сшить" сегменты ДНК перекодированной кишечной палочки в один единый геном. Затем они проверят, способен ли такой реконструированный организм к жизни. Чёрч говорит, что пока непонятно, сколько именно времени займёт эта работа: может быть четыре месяца, а может и четыре года.
Что же касается конечных целей проекта, то учёный в итоге хочет получить настоящую "ферму" стволовых клеток животных и человека, устойчивых к вирусам. Такие клетки могут быть использованы для производства вакцины и для пересадок. По его словам, трудно запрограммировать человека быть устойчивым к вирусам, раку или старению, но учёные могут создавать органы и ткани для трансплантации с такими важными свойствами.
"Конечно, это будет большая работа и она требует много сил, но есть вероятность того, что итог будет хорошим", — заключает Айзекс.
Исследование описано в научном издании Science.