Геном E. coli был переделан с внесением 101 000 изменений в ДНК

Перекодированная бактерия использует только 57 из 64 возможных генетических кодов, освобождая семь для использования в различных целях.

Мы продвинулись дальше, чем когда-либо прежде, в создании жизни, непохожей ни на что, возникшее естественным путём. Геном бактерии Escherichia coli был переработан на компьютере с использованием всего 57 из 64 генетических кодов, синтезированных с нуля и затем перенесённых в живую бактерию.

«Это потребовало колоссальных усилий», — говорит Уэсли Робертсон из Лаборатории молекулярной биологии Медицинского исследовательского совета в Кембридже, Великобритания.

Его команда сделала это, чтобы доказать возможность такого подхода. 57-кодоновая E. coli, называемая Syn57, может найти коммерческое применение. Дальнейшие изменения Syn57 могут сделать его полностью устойчивым к вирусным инфекциям, что станет важным преимуществом для промышленного производства белков для лекарств, продуктов питания и косметики. Это связано с тем, что вирусы зависят от хозяина для синтеза белков, поэтому при изменении кода вирусные белки будут получаться неправильными.

При некоторых усовершенствованиях Syn57 можно использовать для производства белков, содержащих до 27 различных аминокислот, тогда как природные белки содержат только 20. Эти синтетические белки потенциально способны делать то, чего невозможно достичь с помощью обычных белков.

Белок — это цепочка аминокислот, собранных в определённой последовательности, заложенной в гене. Каждый набор из трёх букв ДНК, или кодон, сообщает белковым фабрикам, какие аминокислоты добавить следующими или когда остановиться, поскольку белок готов.

Существует четыре буквы ДНК, что соответствует 64 различным кодонам. Но живые организмы на Земле обычно синтезируют белки всего из 20 видов аминокислот, поэтому существует большая избыточность: два или более различных кодона кодируют большинство аминокислот.

Если все экземпляры одного кодона для определённой аминокислоты заменить другим кодоном для той же аминокислоты, этот первый кодон освобождается для других целей. Например, его можно использовать для кодирования неприродной аминокислоты или даже другого вида химического вещества, что позволит создавать новые виды белков.

Теоретически в живом организме можно освободить до 43 кодонов, поскольку требуется всего 21: 20 для стандартного набора аминокислот и стоп-кодон. На практике это пока недостижимо, поскольку чем больше изменений вносится в геном, тем выше вероятность того, что некоторые из них окажутся непреднамеренно вредными.

Вместо этого биологи начинают с малого. В 2011 году было внесено 314 изменений в гены E. coli , чтобы попытаться…чтобы освободить один кодон.

Внесение тысяч изменений в гены — очень трудоёмкий процесс, поэтому Робертсон и его команда синтезировали ДНК с нуля. В 2019 году они объявили о создании Syn61, вносящего 18 000 изменений в 4 миллиона букв ДНК в геноме E. coli, что позволило освободить три кодона. Отделившаяся компания Constructive.Bio разрабатывает коммерческие приложения.

К настоящему моменту исследователи внесли 101 000 изменений, чтобы освободить семь кодонов в Syn57. Для этого пришлось протестировать небольшие фрагменты перекодированного генома на живых бактериях, чтобы выявить и исправить множество вредных изменений. Этот трудоёмкий процесс былповторяли с более крупными фрагментами, пока геном не был завершен.

«Это значительное достижение и результат многолетней работы», — говорит Акос Ньергес из Гарвардской медицинской школы. Команда Ньергеса также работает над освобождением семи кодонов в E. coli, но путём перекодирования других кодонов. «Наш штамм E. coli с 57 кодонами всё ещё находится в процессе разработки», — говорит он.

Существуют ли виды на самом деле? Гены — это судьба? Выживают ли только сильнейшие? Можем ли мы влиять на эволюцию или останавливать её? Новые знания о природе дают удивительные ответы и открывают новую, блестящую картину сложности жизни.

Хотя Syn57 уже полностью готов, он растёт гораздо медленнее, чем обычно. Для коммерческих целей его необходимо улучшить. «Мы ожидаем, что сможем увеличить скорость роста, что сделает его более полезным», — говорит он.

Сейчас его команда планирует сосредоточиться на изучении потенциальных возможностей применения Syn57, а не на попытках освободить ещё больше кодонов. «Прежде чем думать о дальнейшем сжатии генетического кода, предстоит ещё многое сделать», — говорит он.

Первая в истории бактерия с синтетическим геномом была создана в 2010 году, однако целью было создание упрощенного организма, а не перекодирование кодонов.