Цивилизация
Ученые из Исследовательского института Скриппс сделали важный шаг к созданию синтетической жизни. Они создали биоинженерную бактерию, которая использует ДНК с двумя дополнительными искусственными «буквами».
В ДНК вставили два азотистых основания, которых не существует в природе.
Эта полусинтетическая ДНК способна к репликации — воспроизведению себя — в живой бактериальной клетке. Результаты эпохального достижения биологи опубликовали в журнале Nature, причем первый автор статьи — наш соотечественник Денис Малышев, работающий в лаборатории Ромесберга Института Скриппс..
ДНК всех живых организмов состоит из «букв» — нуклеотидов, основу которых составляют четыре азотистых основания (аденин, гуанин, тимин, цитозин). При построении двойной спирали ДНК они объединяются в пары A-T и C-G. «Мы создали живой организм, который использует кроме этих пар еще одну искусственную пару оснований, — объясняет руководитель работы профессор Флойд Роменсберг. — Это доказывает, что для хранения генетической информации возможны и другие решения кроме существующих в природе».
Исследователи лаборатории Ромесберга уже с конца 1990-х годов работают над поиском молекул, которые могли бы расширить генетический алфавит. Это непростая задача, так как искусственные основания должны иметь такие же свойства химически объединяться в пару, как A-T и C-G. Эта пара должна быть стабильна и в то же время распадаться под действием фермента ДНК-полимеразы, так как при репликации ДНК первым шагом является разъединение цепей.
Эту задачу ранее уже удалось решить «в пробирке» — ученые предложили ДНК несколько искусственных оснований (UBPs), которые она в себя приняла. В 2008 году ученые в лаборатории Ромесберга синтезировали основания d5SICS и dNaM, которые образуют пару.
Они показали, что эта пара стабильна, но распадается под действием фермента ДНК-полимеразы.
Позже им удалось показать, что на полусинтетической ДНК образуется РНК. Остался последний шаг — вставить ДНК с лишними «буквами» в живую клетку.
«Пара искусственных оснований отлично работала in vitro, но основной вызов состоял в том, чтобы проверить их работу в гораздо более сложной системе — в живой клетке», — говорит Денис Малышев.
Ученые синтезировали кольцевую ДНК с искусственными основаниями – плазмиду, и вставили ее в бактерию кишечной палочки E.coli. Основная задача состояла в том, чтобы проверить, будет ли полусинтетическая ДНК реплицироваться – воспроизводить себя. Для этого в среду, содержащую бактерии, добавили искусственные основания d5SICS и dNaM. Затем надо было добиться, чтобы основания присоединяли к себе сахара и фосфаты и превращались в нуклеотиды. В этом помог транспортный белок, который ученые выделили из одноклеточных водорослей.
Ученые были поражены, когда увидели, что полусинтетическая ДНК реплицировалась с вполне приемлемой скоростью и точностью.
Искусственные основания при этом не терялись, а биоинженерная кишечная палочка росла ненамного медленнее, чем обычная.
«Большим прорывом является то, что мы получили управляемую систему, — подчеркивает Денис Малышев. — Когда мы прекращаем подачу в клетку искусственных оснований или транспортера трифосфатов, ДНК переходит на естественные основания, и d5SICS и dNaM просто исчезают из генома».
На следующем этапе исследователи должны проверить, возможна ли в клетке транскрипция ДНК с лишними «буквами», то есть синтез РНК по ее матрице. Это первый этап в процессе синтеза белка. «В принципе, мы можем закодировать и получить совершенно новые белки, состоящие из искусственных аминокислот, — считает Ромесберг. —
Это открывает огромные возможности для медицины будущего – мы сможем изготавливать белки по заказу для терапевтических целей.
Другая возможная область применения — это нанотехнология и наноматериалы».
Денис Малышев ответил на вопросы «Газеты.Ru»:
— Как шла работа по поиску искусственных оснований?
— В течение последних 14 лет лаборатория доктора Ромесберга работала над созданием и оптимизацией синтетических оснований. Первый прорыв был сделан в 2008 году, когда после скрининга 3600 комбинаций различных оснований мы нашли пару, которая отвечала нашим ожиданиям.
Затем был долгий процесс оценки и оптимизации ее работы in vitro («в пробирке). И мы убедились в том, что in vitro наша пара оснований работает не хуже, чем естественные пары.
Результат дал нам возможность попробовать внедрить пару искусственных оснований в живой организм, что было очень амбициозной задачей.
— Какие задачи вам надо было решить на этом этапе?
— Основной проблемой было создать генетически-модифицированную линию E.coli с уникальным транспортным белком, который бы специфически переносил синтетические основания. Это было необходимо, чтобы создать синтетические нуклеотиды — блоки для построения ДНК в процессе ее репликации внутри клетки.
То есть основные наши прорывы: 1) синтетические основания эффективно внедрялись в ДНК, и она была способна к репликации; 2) использование транспортного белка для переноса их в клетку; 3) система редактирования ДНК принимала их и не удаляла.
— Способна ли была полусинтетическая ДНК к синтезу РНК, к транскрипции?
— Хороший вопрос. В соответствии с дизайном нашего первого эксперимента, мы вставили искусственную пару оснований в некодирующую область ДНК. Поэтому мы не могли проверить возможность транскрипции и трансляции. Но мы активно работаем над этим и уверены в успехе.
— Какие перспективы вы видите у своего достижения? Будут ли у него ли практические применения?
— Ограниченное число комбинаций оснований ДНК (A, T, G и C) ограничивает число видов белков, которые могут синтезироваться. Добавив к генетическому алфавиту искусственные основания X и Y, мы расширяем «белковый словарь».
Это позволит нам получать совершенно новые белки для создания лекарств, новых методов диагностики и совершенствования вакцин.
Мы уже начали работать над транскрипцией (синтез искусственной РНК на искусственной ДНК) и трансляцией (синтез искусственных белков на искусственной РНК) в живой клетке. Мы собираемся развивать свою технологию на базе созданной компании Synthorx и будем работать с нашими партнерами над инновационными решениями в области медицины и биотехнологии.
— Можно ли считать расширение генетического алфавита шагом к созданию синтетической жизни?
— Мы не создаем новую жизнь. Мы используем существующие одноклеточные организмы и расширяем их возможности, чтобы создавать новые продукты для медицины и помогать людям.
— Как соотносится ваша работа с тем, что делает в этой области Крейг Вентер?
— Многие люди слышали о достижениях синтетической биологии, когда в лаборатории были синтезированы малый геном бактерии (Venter, 2010) и искусственная хромосома (JHU, 2014) и внедрены в живые организмы. Но при этом в ДНК были использованы естественные пары оснований (A, T, G и C).
Наша работа другая, и то, что мы сделали, не делал больше никто. Мы создали третью пару оснований для ДНК и показали ее работу в живом организме.