Starptautiska zinātnieku grupa no ASV, Francijas un Ķīnas ir izveidojusi daļēji sintētisku dzīvības formu. Lai gan jau ir mēģināts iegūt baktērijas ar modificētu DNS, mikroorganismi slikti savairojās, tiem bija nepieciešami īpaši augšanas apstākļi un galu galā tika vaļā no tajos ieviestajām modifikācijām. "Lenta.ru" stāsta par jaunu darbu, kurā pētniekiem izdevās atrisināt šīs problēmas, iegūstot radību, kas radikāli atšķiras no visas dabiskās dzīves uz Zemes.
Ne tik sen visu mūsu planētas dzīvo organismu DNS sastāvēja no četru veidu nukleotīdiem, kas satur adenīnu (A) vai timīnu (T), vai guanīnu (G) vai citozīnu ©. Desmitiem vai simtiem miljonu nukleotīdu virknes veido atsevišķas hromosomas. Hromosomās atrodamie gēni būtībā ir garas nukleotīdu sekvences, kurās tiek kodētas olbaltumvielu aminoskābju secības. Trīs secīgu nukleotīdu (kodons vai triplets) kombinācija atbilst vienai no 20 aminoskābēm. Tādējādi dzīve izmanto trīs burtu ģenētisko kodu (ATG, CGC un tā tālāk), pamatojoties uz četru burtu alfabētu (A, C, T, G).
Kad organisma šūnai ir nepieciešams proteīns (polipeptīds), tiek ieslēgts to kodējošais gēns. Pēdējais ir piesaistīts īpašam fermentam, ko sauc par RNS polimerāzi, kas transkripcijas procesā sāk sekot nukleotīdu secībai un izveidot tās kopiju molekulas formā, ko sauc par kurjera RNS (mRNS). RNS ir ļoti līdzīga DNS, bet timīna vietā tā satur uracilu (U). Pēc tam mRNS atstāj šūnas kodolu un nonāk ribosomās, kur tā kalpo kā recepte olbaltumvielu aminoskābju ķēdes radīšanai tulkošanas laikā.
Pētnieki nolēma mainīt Escherichia coli ģenētisko kodu, pievienojot tam divus papildu "burtus". Fakts ir tāds, ka dzīvo organismu DNS ir dubultā, tas ir, to veido divas ķēdes, kas ir savstarpēji savienotas ar komplementārām saitēm. Šādas saites veidojas starp A-nukleotīda bāzi no vienas virknes un T-nukleotīda bāzi no otras (līdzīgi, starp C un G). Tāpēc arī diviem jaunajiem sintētiskajiem nukleotīdiem jāspēj savstarpēji papildināties. Izvēle krita uz dNaM un d5SICS.
E. coli Escherichia coli
Foto: Rocky Mountain Laboratories / NIAID / NIH
Viens sintētisko nukleotīdu pāris tika ievietots plazmīdā - divkāršās cirkulārās DNS molekulas, kas spēj vairoties atsevišķi no pārējā baktēriju genoma. Viņi aizstāja pāris komplementāros nukleotīdus A un T, kas bija laktozes operona daļa - gēnu kopums, kas metabolizē laktozes cukuru, un ar tiem saistītās nekodējošās DNS sekvences. Sintētiskie nukleotīdi netika iekļauti reģionā, kuru polimerāze kopē mRNS.
Reklāmas video:
Kāpēc zinātnieki nolēma neinstalēt sintētiskos nukleotīdus tieši gēnā, bet blakus tam? Fakts ir tāds, ka šādā veidā ir ļoti grūti mainīt gēnu, lai tas paliktu funkcionāls. Galu galā, tam jums ir jāsaista iegūtie jaunie kodoni ar jebkuru aminoskābi. Tam savukārt ir nepieciešams iemācīt šūnai ražot dažāda veida transporta RNS (tRNS), kas var atpazīt šos kodonus.
TRNS molekulas veic šādu funkciju. Viņi, tāpat kā kravas automašīnas, vienā galā nēsā noteiktu aminoskābi, tuvojas ribosomās esošajai mRNS un, savukārt, sāk saskaņot nukleotīdu tripletu otrā galā ar kodonu. Ja tie sakrīt, aminoskābe tiek noņemta un iekļauta olbaltumvielā. Tomēr, ja nav piemērotas tRNS, olbaltumviela netiks sintezēta, kas var negatīvi ietekmēt šūnu dzīvotspēju. Tāpēc, ievietojot sintētiskos nukleotīdus gēnos, zinātniekiem būtu jāizveido gēni, kas kodē jaunus tRNS, kas spēj atpazīt mākslīgos kodonus un piesaistīt pareizo aminoskābi polipeptīdam. Tomēr pētnieku uzdevums bija vienkāršāks. Viņiem bija jāpārliecinās, ka plazmīds ar sintētiskiem nukleotīdiem veiksmīgi vairosies un tiks nodots meitas organismiem.
Plazmīdi, ko izmanto Escherichia coli pārveidošanai
Attēls: Denis A. Malyshev / Kirandeep Dhami / Thomas Lavergne / Tingjian Chen / Nan Dai / Jeremy M. Foster / Ivan R. Correa / Floyd E. Romesberg / Daba / Ķīmijas katedra / The Scripps Research Institute
Šo plazmīdu ar nosaukumu pINF ievada E. coli. Tomēr, lai to nokopētu, ir nepieciešams, lai baktēriju šūnā būtu daudz nukleotīdu. Šim nolūkam E. coli tika ievietota cita plazmīda pCDF-1b. Tajā bija diatoma Phaeodactylum tricornutum PtNTT2 gēns, kas kodē NTT olbaltumvielu, kas transportē nukleotīdus no barības vielas šūnā.
Tomēr zinātnieki saskārās ar vairākām grūtībām. Pirmkārt, Phaeodactylum tricornutum olbaltumvielām ir toksiska ietekme uz E. coli šūnu. Tas viss tāpēc, ka tajos atrodas aminoskābju secības fragments, kam ir signalizācijas funkcija. Pateicoties viņai, olbaltumviela aļģu šūnā ieņem pareizo pozīciju, pēc kuras secība tiek noņemta. E. coli nespēj noņemt šo fragmentu, tāpēc pētnieki viņai palīdzēja. Viņi varēja noņemt pirmās 65 aminoskābes no NTT. Tas ievērojami samazināja toksicitāti, kaut arī samazināja arī nukleotīdu transporta ātrumu.
Vēl viena problēma bija tā, ka sintētiskie nukleotīdi ilgu laiku tika saglabāti plazmīdās un netika aizstāti, kopējot DNS. Kā izrādījās, viņu drošība bija atkarīga no tā, kādi nukleotīdi viņus ieskauj. Lai to uzzinātu, zinātnieki analizēja dažādas kombinācijas, kas iestrādātas 16 plazmīdās. Lai saprastu, vai sintētiskais nukleotīds ir izstājies no secības, pētnieki izmantoja CRISPR / Cas9 tehnoloģiju.
CRISPR / Cas9
Attēls: Steve Dixon / Feng Zhang / MIT
CRISPR / Cas9 ir molekulārs mehānisms, kas pastāv baktēriju iekšienē un ļauj tām cīnīties ar bakteriofāgiem. Citiem vārdiem sakot, šī tehnoloģija pārstāv imunitāti pret vīrusu infekcijām. CRISPR ir īpašas DNS sadaļas. Tie satur īsus DNS vīrusu fragmentus, kas savulaik inficēja mūsdienu baktēriju senčus, bet tika sakauti ar viņu iekšējo aizsardzību.
Kad bakteriofāgs nonāk baktērijās, šie fragmenti tiek izmantoti kā veidne molekulu sintēzei, ko sauc par crRNS. Tiek veidotas daudzas dažādas RNS ķēdes, tās saistās ar Cas9 proteīnu, kura uzdevums ir sagriezt vīrusa DNS. Viņš to var izdarīt tikai pēc tam, kad crRNS atrod vīrusa DNS komplementāru fragmentu.
Ja crRNS vietā tiek izmantota RNS secība, kas ir komplementāra noteiktam plazmīdas fragmentam, tad Cas9 sagriezīs arī plazmīdu. Bet, ja šajā fragmentā ir sintētiski nukleotīdi, tad olbaltumviela nedarbosies. Tādējādi, izmantojot CRISPR, ir iespējams izolēt tās plazmīdas, kas ir izturīgas pret nevēlamām mutācijām. Izrādījās, ka 13 no 16 plazmīdām sintētisko nukleotīdu zudums bija nenozīmīgs.
Tādējādi pētniekiem izdevās izveidot organismu ar fundamentālām izmaiņām DNS, kas tos spētu paturēt bezgalīgi.
Lai arī daļēji sintētiskās dzīvības formas genomā ir tikai divi nedabiski nukleotīdi, kas nav atrodami kodonos un nav iesaistīti aminoskābju kodēšanā, tas ir pirmais rezistents organisms, kura DNS alfabēts sastāv no sešiem burtiem. Nākotnē zinātnieki, visticamāk, varēs izmantot šo jauninājumu olbaltumvielu sintezēšanai, tādējādi izveidojot pilnvērtīgu mākslīgo ģenētisko kodu.
Aleksandrs Enikejevs