Подписаться на новости
  • Сенатор
  • ООО "Ай Вао"
  • Биомолтекст2020
  • vsh25
  • Vitacoin

ДНК с тремя парами оснований: подробности

Новый генетический код и первая полусинтетическая бактерия

Андрей Васильков, Компьютерра

Исследователи из научно-исследовательского института Скриппса (TSRI) в Калифорнии модифицировали бактерию E. coli, введя в код её плазмидной ДНК два новых комплементарных соединения, не встречающихся в природе. Так научная группа получила первый в мире полусинтетический живой организм и навсегда изменила генетику. Одним из авторов работы указан наш соотечественник – научный сотрудник Денис Малышев. Он учился в Московском химическом лицее, после чего закончил Российский Химико-Технологический Университет им. Д.И. Менделеева и эмигрировал в США.

Современных биологов и биохимиков вполне можно считать программистами. Ведь они освоили самый низкоуровневый язык, который только можно представить – генетический код. Прямое вмешательство в него похоже на реверс-инженеринг. Оно стало возможным совсем недавно и совершило настоящий переворот в биотехнологиях.

Примерно до восьмидесятых годов XX века селекционеры действовали вслепую, опираясь на внешние признаки и закономерности их наследования. Даже таким несовершенным способом порой совершались удивительные по своим масштабам достижения. К примеру, лауреата Нобелевской премии Нормана Эрнеста Борлоуга называют «отцом Зелёной» за то, что он смог вывести сорта пшеницы и риса с исключительной урожайностью. По данным ООН это уже спасло от голодной смерти около миллиарда человек и помогло сохранить само существование Мексике, Индии и Пакистану.

Иногда метод проб и ошибок приводил к досадным просчётам. Например, кроме повышения урожайности картофеля и томатов новых сортов, в них повышался уровень содержания токсинов, типичных для всего семейства паслёновых. Такие сорта забраковывались, но никто не мог вернуть годы потраченного времени. Проблема сдерживания генетики состоит именно в страхе перед сложными технологиями, а не в опасности самой изменённой ДНК. Ведь абсолютно любой организм (кроме своего собственного) является для нас генетически чужеродным.

Новые биотехнологические методы позволяют избежать подобных ошибок, сразу внося в генотип контролируемые изменения. Помимо растений этот метод широко применяется у бактерий, поскольку кроме основной ДНК они содержат ещё и удобную для работы плазмидную. Модифицированные штаммы превращаются в завод по производству сложных белков, наиболее востребованных в медицине. Среди них есть инсулин, эритропоэтин, интерферон и другие. По данным ВОЗ, один только генно-инженерный инсулин спасает от тяжёлых осложнений и смерти сотни миллионов человек во всём мире.


Схема получения инсулина методами генной инженерии (по материалам: discoveryandinnovation.com).

Сегодня качество нашей жизни напрямую зависит от того, как быстро мы сможем разобраться в деталях синтеза белка и научиться управлять этим процессом. Простых методов изменения генома уже недостаточно – требуется расширять сам язык генетического программирования, вводя в него новые операторы. Именно это и сделали в институте Скриппса, объединив результаты научных работ по данной теме за более чем двадцатилетний период.

В природе нуклеиновые кислоты всех живых существ содержат только четыре азотистых основания: гуанин (G), аденин (А), тимин (Т) и цитозин (С) в ДНК, плюс неметилированную форму тимина (урацил – U) в РНК. Каждый участок из трёх последовательно расположенных оснований формирует кодон, в котором и зашифрована команда на синтез определённой аминокислоты, либо сигналы «старт/стоп».


Схема кодирования аминокислот в ДНК (изображение: mpnforum.com).


При большом химическом разнообразии аминокислот как группы веществ, белки любого живого организма состоят всего из двадцати L-альфа-аминокислот. Их положение определяет структуру протеинов и их биологические свойства.

Данный код характеризуется избыточностью: некоторые аминокислоты могут кодироваться разными способами. Например, к синтезу аргинина внутри клетки приведёт запись CG*, где * – любое третье основание. Поэтому, несмотря на трёхбуквенную систему, в процессе биосинтеза белка образуются не 64=43, а всего двадцать разных вариантов аминокислот. Редко встречающиеся селеноцистеин, пирролизин и другие «нестандартные» альфа-аминокислоты не нарушают этого правила. Они выпадают из общего списка, так как образуются иначе – путём модификации одной из основных аминокислот уже после её синтеза.

В лабораторных условиях помимо AT(U)GC можно использовать и другие кодирующие молекулы – такие, как d5SICS и dNaM. Добавление всего пары синтетических соединений к стандартному набору азотистых оснований фактически создаёт новый генетический алфавит. С его помощью можно закодировать биосинтез уже не двадцати, а ста семидесяти двух аминокислот. Число новых вариантов белка, который можно синтезировать из них, становится просто астрономическим.


Всего два новых соединения расширяют число возможных аминокислот с 20 до 172 (изображение: cen.acs.org).


«В принципе, мы могли бы кодировать совершенно новые белки, сделанные из не встречающихся в природе аминокислот, – поясняет руководитель группы Флойд Ромсберг (Floyd E. Romesberg). – Это дало бы нам бОльшую власть, чем когда-либо. Мы могли бы адаптировать технологию для создания белковых терапевтических и диагностических средств, лабораторных реагентов и многого другого. Такие аспекты применения, как наноматериалы, тоже возможны».

Синтетические нуклеотиды d5SICS и dNaM связываются через гидрофобные взаимодействия, в то время как природные образуют водородные связи. Это не мешает использовать их для расширения генетического алфавита, но создаёт ряд преодолимых трудностей.


Сравнение связей синтетических (d5SICS-dNaM) и природных (C-G) нуклеотидов (изображение: nature.com).

Экспериментальный штамм бактерий с изменённым генотипом содержит эти два новых нуклеотида и сохраняет жизнеспособность, однако пока не даёт потомства самостоятельно. Для размножения модифицированных бактерий требуется ряд ручных манипуляций с раствором – таких, как добавление фосфатных соединений, получаемых из водорослей.

«Важно отметить, что это также обеспечивает контроль над системой, – говорит Денис Малышев. – Наши новые нуклеотиды могут поступать в клетку только при помощи белков-переносчиков. Без них клетка вернётся к стандартному набору ATGC, а соединения d5SICS и dNaM исчезнут из её генома».

Авторы исследования рассчитывают, что в дальнейшем найдётся способ создать полностью синтетический и способный к размножению штамм бактерий. Для этого требуется аналогичным способом расширить «алфавит» РНК и, возможно, изменить сами рибосомы.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
15.005.2014

Читать статьи по темам:

синтетическая биология генетически модифицированные микроорганизмы Версия для печати
Ошибка в тексте?
Выдели ее и нажми ctrl + enter
назад

Читать также:

Первый живой организм с тремя парами оснований ДНК

Ученые впервые смогли получить культуру живых клеток с шестью «буквами» ДНК вместо четырех. Клетки с шестибуквенным генетическим кодом функционируют так же, как и обычные.

читать

Как получить живые искусственные дрожжи

Синтетическая хромосома, сделанная взамен естественной, отличается от натурального прототипа каждым шестым нуклеотидом, что не мешает дрожжам нормально себя чувствовать.

читать

Волшебное слово для бактерий

Редкое генетическое слово-триплет в начале мРНК задерживает движение рибосом, так что потом они разгоняются медленнее и не сталкиваются друг с другом при производстве белка, что значительно ускоряет синтез нужных молекул.

читать

Микробы-овчарки против микробов-волков

Безопасных для человека микробов можно научить точно распознавать патогенные виды микроорганизмов и снабдить оружием против них.

читать

ДНК на конвейере

Процесс производства цепочек ДНК длиной в несколько сотен оснований с помощью генетически модифицированных микроорганизмов намного дешевле и точнее существующих методов.

читать