Ученые впервые создали стабильный полусинтетический организм

Международной группе ученых удалось создать стабильный полусинтетический одноклеточный организм, генетический код которого содержит дополнительную пару оснований, не встречающихся в природе. Результаты работы опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Генетическая информация всех живых организмов закодирована в ДНК, состоящей из четырех оснований («букв генетического кода»), формирующих две естественных пары: аденин-тимин (А—Т) и гуанин-цитозин (Г—Ц). Такими парами они соединяются при синтезе двухцепочечной спирали ДНК. Введение в генетический код двух дополнительных синтетических оснований, формирующих третью, неестественную пару (НПО), теоретически могло бы повысить информационную емкость ДНК. Организмы, содержащие такую ДНК, называются полусинтетическими (ПСО).

В течение более 15 лет сотрудники Исследовательского института Скриппса проводили поиск подходящей пары оснований, результатом которого стала пара dNaM—d5SICS (d обозначает нуклеозид, в котором основание соединено с дезоксирибозой — сахаром, входящим в структуру ДНК). В отличие от естественных пар, в которых нуклеозиды соединяются водородными связями, эта НПО формируется за счет гидрофобных взаимодействий.

После этого исследователи снабдили кишечную палочку (Escherichia coli) взятым у диатомовой водоросли Phaeodactylum tricornutum мембранным транспортером нуклеотидтрифосфатов PtNTT2, который способен доставлять в клетку из окружающей среды синтетические основания в форме трифосфатов (dNaMTP и d5SICSTP). При культивировании на питательной среде, содержащей эти вещества, такие бактерии встроили единственную НПО в одну из плазмид (цитоплазматический фрагмент ДНК, несущий у прокариот дополнительную к основной генетическую информацию) и смогли воспроизводить (реплицировать) ее при делении клетки. Это стало важным подтверждением концепции, однако такие ПСО очень плохо размножались и быстро теряли НПО в последующих поколениях.

В нынешней публикации тот же научный коллектив при участии сотрудников Университета Гренобль-Альпы и Хэнаньского педагогического университета описывает усовершенствованную методику, позволившую создать стабильный ПСО. Во-первых, ученые модифицировали транспортер PtNTT2, работа которого негативно отражалась на жизнеспособности бактерии. Удаление из него фрагмента из 65 аминокислот снизило токсичность, не сказавшись на функциях. Во-вторых, химической модификации подвергли d5SICS. Получившееся основание dTPT3, формирует НПО dNaM—dTPT3, которая значительно лучше сохраняется при репликации.

Чтобы обеспечить сохранность НПО при делении бактерий, исследователи воспользовались природной системой коррекции бактериального генома CRISPR/Cas9, которая изначально предназначена для защиты от встроившихся в ДНК вирусов. Она ищет в геноме посторонние последовательности, содержащиеся в «библиотеке» CRISPR и вырезает их нуклеазой Cas9. Ученые дополнили CRISPR таким образом, чтобы система удаляла ДНК, утратившую НПО.

Оптимизированные таким способом ПСО демонстрировали стабильный рост на среде, непрерывно поглощали из нее синтетические основания и оказались способны сохранять НПО практически в любых последовательностях. В ходе наблюдения исследователи не зарегистрировали утраты НПО после 60 делений клетки, что позволяет говорить о создании стабильного полусинтетического организма с геномом, состоящим из трех пар оснований.

Практические применения полученного ПСО в настоящее время отсутствуют — ученые лишь добились сохранности дополнительной генетической информации в череде поколений. На следующем этапе работы они планируют найти способ транскрипции синтетических «букв» генома на РНК, служащую матрицей для синтеза белка.

Ранее научному коллективу под руководством Крейга Вентера удалось создать организм с минимальным возможным геномом, который был получен полностью синтетическим путем. Основой для него стал геном бактерии Mycoplasma mycoides. Его ДНК, синтезированная искусственно, не содержала НПО. Целью эксперимента было создать максимально предсказуемый и эффективный для синтетической биологии организм, которому можно произвольно добавлять новые функции, вводя в геном дополнительные гены.

Олег Лищук