Генетический код жизни всегда содержал только четыре естественных основания. Эти основания спариваются, образуя две «пары оснований» - ступени лестницы ДНК - и они просто перестраиваются, чтобы создать бактерии и бабочек, пингвинов и людей. Четыре основы составляют всю жизнь, какой мы ее знаем.
До сих пор. Ученые Исследовательского института Скриппса (TSRI) объявили о разработке первого стабильного полусинтетического организма. Основываясь на своем исследовании 2014 года, в котором они синтезировали пару оснований ДНК, исследователи создали новую бактерию, которая использует четыре естественных основания (называемых A, T, C и G), которые есть у каждого живого организма, но которые также существуют в виде пары. два синтетических основания, названные X и Y в его генетическом коде.
TSRI Профессор Флойд Ромесберг и его коллеги показали, что их одноклеточный организм может бесконечно удерживать синтетическую пару оснований при делении. Их исследование было опубликовано 23 января 2017 года в Интернете до публикации в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
"Мы сделали этот полусинтетический организм более реалистичным", - сказал Ромесберг, старший автор нового исследования.
Хотя применение для этого вида организмов еще далеко в будущем, исследователи говорят, что работа может быть использована для создания новых функций для одноклеточных организмов, которые играют важную роль в открытии лекарств и во многом другом.
Построение уникального организма
Когда Ромесберг и его коллеги объявили о разработке X и Y в 2014 году, они также показали, что модифицированные бактерии E. coli могут удерживать эту синтетическую пару оснований в своем генетическом коде. Чего, однако, эти E. coli не могли, так это удерживать пару оснований в своем коде на неопределенный срок при делении. Со временем пара оснований X и Y была отброшена, что ограничило способы использования организмом дополнительной информации, содержащейся в его ДНК.
«Ваш геном не может оставаться стабильным в течение дня», - сказал Ромесберг. «Ваш геном должен быть стабильным в масштабах вашей жизни. Если полусинтетический организм действительно будет организмом, он должен быть в состоянии стабильно поддерживать эту информацию».
Ромесберг сравнил этот ущербный организм с младенцем. Ему нужно было немного поучиться, прежде чем он был готов к реальной жизни.
Вмешались аспирант TSRI Йорк Чжан и Брайан Лэмб, постдокторант Американского онкологического общества в лаборатории Ромесберга во время исследования. Вместе они помогли разработать средства, позволяющие одноклеточному организму сохранять искусственную пару оснований.
Во-первых, Чжан и Лэмб, соавторы исследования, оптимизировали инструмент, называемый переносчиком нуклеотидов, который доставляет материалы, необходимые для копирования неестественной пары оснований через клеточную мембрану.«Транспортер использовался в исследовании 2014 года, но полусинтетический организм из-за него сильно заболел», - пояснил Чжан. Исследователи обнаружили модификацию транспортера, которая облегчила эту проблему, облегчив рост и деление организма, удерживая при этом X и Y.
Затем исследователи оптимизировали свою предыдущую версию Y. Новый Y представлял собой химически другую молекулу, которую лучше распознавали ферменты, синтезирующие молекулы ДНК во время репликации ДНК. Это облегчило клеткам копирование синтетической пары оснований.
Новое использование CRISPR-Cas9
Наконец, исследователи установили систему «проверки орфографии» для организма, используя CRISPR-Cas9, все более популярный инструмент в экспериментах по редактированию генома человека. Но вместо редактирования генома исследователи воспользовались оригинальной ролью CRISPR-Cas9 в бактериях.
Генетические инструменты в CRISPR-Cas9 (сегмент ДНК и фермент) возникли в бактериях как своего рода иммунный ответ. Когда бактерия сталкивается с угрозой, такой как вирус, она берет фрагменты генома захватчика и вставляет их в свой собственный геном - это немного похоже на объявление о розыске на тот случай, если она снова увидит захватчика. Позже он может использовать эти вставленные гены, чтобы направить фермент для атаки, если захватчик вернется.
Зная об этом, исследователи разработали свой организм так, чтобы он воспринимал генетическую последовательность без X и Y как чужеродного захватчика. Клетка, сбросившая X и Y, будет помечена как подлежащая уничтожению, и ученым останется организм, способный удержать новые основания. Как будто организм был невосприимчив к неестественной потере пары оснований.
«Мы смогли решить проблему на фундаментальном уровне», - сказал Лэмб, который сейчас работает научным сотрудником в Vertex Pharmaceuticals.
Таким образом, их полусинтетический организм смог сохранить X и Y в своем геноме после 60-кратного деления, что навело исследователей на мысль, что он может удерживать пару оснований бесконечно долго.
«Теперь мы можем сохранить свет жизни», - сказал Ромесберг. «Это говорит о том, что всеми жизненными процессами можно манипулировать».
Основа для будущих исследований
Romesberg подчеркнул, что эта работа касается только отдельных клеток и не предназначена для использования в более сложных организмах. Он добавил, что фактическое применение этого полусинтетического организма на данный момент «нулевое». Пока что ученые могут только заставить организм хранить генетическую информацию.
Далее исследователи планируют изучить, как их новый генетический код может быть транскрибирован в РНК, молекулу в клетках, необходимую для перевода ДНК в белки. «Это исследование закладывает основу для того, что мы хотим делать в будущем», - сказал Чжан.