Створено організм, ДНК якого містить 6 «букв»

Код ДНК містить лише 4 «літери» у двох можливих поєднаннях. Донедавна у цього правила винятків не було.

Генетичний код містить всього чотири основні «літери». Вони можуть з'єднуватися, але тільки в певних поєднаннях, тому основних пар, що утворюють «поперечини» на «сходах» ДНК, всього дві. І цього виявилося достатньо, щоб з'явилися бактерії і метелики, пінгвіни і люди. Чотири азотистих основи в двох поєднаннях створили життя на Землі таким, яке ми її знаємо.

Або, принаймні, знали досі. Дослідники з Дослідницького інституту Скриппс (The Scripps Research Institute, TSRI) повідомила про створення першого стабільного півсинтетичного організму. Вчені використовували результати власної роботи 2014 року, під час якої їм вдалося синтезувати нову пару підстав для ДНК. У бактерії, яка з'явилася на світ в результаті нового проекту, крім звичайних азотистих підстав аденіну, тиміну, гуаніну і цитозину (А, Т, Г і Ц), присутні ще два. Автори роботи позначили їх літерами Х і Y.

Професор Дослідницького інституту Скриппс Флойд Ромсберг (Floyd Romesberg) і його колеги продемонстрували, що створений ними одноклітинний організм здатний зберегти нову пару підстав навіть після багаторазового поділу. Результати дослідження опубліковані у виданні Proceedings of the National Academy of Sciences.

Хоча практичне використання нового організму - справа далекого майбутнього, дослідники вважають, результати нової роботи можуть бути використані вже зараз. Наприклад, для надання нових властивостей одноклітинним, що використовується в процесі пошуку нових лікарських засобів.

Створення унікального організму

Коли Ромсберг і його колеги повідомили про те, що їм вдалося розробити нову пару азотистих підстав в 2014 р., вони також представили модифікований штам E. coli, здатний вбудувати це з'єднання в свій генетичний код. Чого модифікована E. coli не могла, так це стабільно зберігати пару підстав X і Y при поділі. З часом пара X-Y випадала, обмежуючи здатність мікроорганізму використовувати додаткову інформацію, що потрапила в його ДНК.

"Недостатньо, щоб ваш геном був стабільний протягом дня, - розповідає Ромсберг. - Ваш геном повинен бути стабільний протягом усього життя. Якщо напівсинтетичний організм планує стати організмом у повному сенсі слова, він повинен навчитися утримувати цю інформацію ".

До моменту початку нового проекту до складу колективу лабораторії увійшли магістрант інституту Скриппс Йорк Чжан (Yorke Zhang) і член Американського онкологічного товариства (American Cancer Society) Брайан Ламб (Brian Lamb). Спільними зусиллями вони розробили механізми, за допомогою яких одноклітинний організм навчився зберігати штучну пару підстав у своєму генетичному коді.

Для початку Чжан і Ламб, співавтори роботи, оптимізували переносник нуклеотидів, молекулярний інструмент, необхідний для перенесення нових азотистих підстав крізь клітинну мембрану. «Переносник використовувався і в дослідженні 2014 року, але через нього напівсинтетичний організм сильно хворів», - пояснює Чжан. Дослідникам вдалося вирішити цю проблему, модифікувавши переносник. Тепер новому організму набагато простіше рости і розвиватися, зберігаючи нові підстави у своєму геномі.

Потім вчені модифікували попередню версію заснування Y. Новий Y буде краще розпізнаватися ферментами, що забезпечують синтез ДНК під час її реплікації. Це спростило клітці завдання з копіювання нової пари підстав.

Нове застосування CRISPR-Cas9

На завершальній стадії роботи дослідники вбудували в організм «систему перевірки правопису» на основі CRISPR-Cas9.

Система CRISPR-Cas9 бере свій початок у механізмі «імунної відповіді», характерної для бактерій. Коли бактерія зустрічає загрозу, наприклад, вірус, вона бере фрагменти генетичного матеріалу «ворога» і вбудовує їх у власний геном. Виходить щось на зразок портрета з написом «розшукується», повішеного на випадок, якщо зустріч з вірусом відбудеться знову. Тоді «вклеєні» гени можна буде використовувати, щоб створити захисний білок.

Знаючи це, вчені розробили напівсинтетичний організм таким чином, щоб він вважав клітини без X і Y ворожими. Таким чином, організми, які не зуміли зберегти нові підстави, будуть знищуватися. А в культурі залишаться тільки клітини, в яких X і Y присутні.

«Ми вирішили цю проблему на фундаментальному рівні», - розповідає Ламб, який зараз працює дослідником у Vertex Pharmaceuticals.

Після всіх цих маніпуляцій напівсинтетичний організм виявився здатний зберегти нові азотисті підстави і після 60 циклів клітинної реплікації. Це дозволяє вченим сподіватися, що їх дітище зможе утримувати X і Y у складі свого геному протягом необмеженого часу.

«[Наша робота] дозволяє припустити, що всі життєві процеси можуть бути об'єктом змін», - підсумовує Ромсберг.

Керівник дослідження підкреслює, що результати робота застосовні тільки до одноклітинного організму. Вони не призначені для використання в більш складних системах. Крім того, Ромсберг зазначив, що на сьогоднішній день практична цінність півсинтетичного організму дорівнює нулю. Поки вченим вдалося тільки навчити його зберігати генетичну інформацію.

У майбутньому дослідники планують вивчити, як новий генетичний код транскрибується в РНК. Ця молекула необхідна для синтезу білків на основі інформації, що міститься в ДНК.