Ученые сократили генетический код кишечной палочки: зачем это нужно
ДНК почти всего живого на Земле содержит множество избыточных элементов. Ученые долгое время задавались вопросом, служит ли это какой-то цели или это просто остатки эволюционных процессов.
И ДНК, и РНК состоят из кодонов — последовательностей из трех нуклеотидов, которые либо предоставляют информацию о том, как сформировать белок с определенной аминокислотой (смысловые кодоны), либо посылают клетке сигнал остановки во время синтеза белка (стоп-кодоны).
Всего существует 64 возможные комбинации кодонов, и эти комбинации универсальны для всех живых организмов. Но некоторые из них избыточны. Для работы клетки доступно всего 20 аминокислот, и 61 из 64 кодонов задействован в синтезе белка, а 3 используются в качестве стоп-сигналов. С математической точки зрения избыточность велика и не оправдана.
Некоторые исследования предполагают, что такая особенность призвана предотвратить мутации в ДНК. Однако сокращение генетического кода некоторых организмов путем удаления ненужных частей также может быть полезным. В 2019 году группа ученых сократила геном кишечной палочки (Escherichia coli) с 64 кодонов до 61, внеся в геном 18 214 изменений. Полученную версию они назвали Syn61, и эта вирусоустойчивая бактерия используется для создания более надежных лекарств и производства новых материалов.
Недавно другой группе ученых, некоторые из которых работали над Syn61, удалось еще больше сократить генетический код E. coli до 57 кодонов, создав версию Syn57. Исследователи опубликовали свою работу в журнале Science.
Процесс потребовал значительных усилий. Команда внесла более 101 000 изменений в кодоны, разделив геном на 38 секций и тщательно заменив избыточные кодоны синонимичными, выполняющими аналогичную функцию. Каждый раз ученые должны были определить, не повлияет ли она на жизнеспособность бактерий, прежде чем двигаться дальше.
Составление карт и фиксация результатов на каждом этапе синтеза часто имели решающее значение для перехода к следующему этапу. Эксперименты обеспечили парадигму для интеграции своевременного картирования дефектов и исправления исходных конструкций в синтетические схемы, так что локальные дефекты выявляются и устраняются на ранних стадиях синтеза. Менее очевидные, потенциально эпистатические или смертельные дефекты выявляются и устраняются по мере их появления в процессе сборки.
В итоге команда успешно сократила генетический код до 57 кодонов, заменив шесть смысловых кодонов и один стоп-кодон синонимичными элементами. Полученные в результате бактерии были жизнеспособны, но росли примерно в четыре раза медленнее, чем исходный штамм. Эту проблему авторы надеются в конечном итоге решить. Новый штамм демонстрирует отчетливый профиль экспрессии генов, что указывает на способность к широкой физиологической адаптации.
Среди возможных применений— создание устойчивых к вирусам организмов для биотехнологии и промышленности, а также синтез белков и полимеров с новыми свойствами. В целом, исследователи с оптимизмом смотрят на потенциал открытия. Их работа также поднимает вопросы о том, существуют ли пределы для сокращения числа кодонов и создания организмов с совершенно новой биохимией.
Недавно ученые сняли на видео завораживающий калейдоскоп бактерий в процессе биоконвекции.
