Ученые заново переписали и синтезировали геном бактерии

Группа исследователей из Швейцарской высшей технической школы Цюриха адаптировала минимальный геном бактерии Caulobacter crescentus для облегчения его синтеза de novo. Чтобы это сделать, исследователи заменили примерно каждую шестую букву ДНК, но так, чтобы при этом остались прежними аминокислотные последовательности белков. После этих манипуляций выяснилось, что только 580 генов из 680 сохранили свою функциональность. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

В основу исследования легли сведения о минимальном наборе генов, необходимых для Caulobacter crescentus. Обычный геном этой пресноводной бактерии состоит из четырех тысяч генов, но в предыдущих исследованиях выяснилось, что только небольшая их часть жизненно ей необходима для выживания в лабораторных условиях — порядка 680 участков, включающих в себя белок- и РНК-кодирующие последовательности, а также регуляторные участки.

Минимальный геном этой бактерии представляет собой кольцевую молекулу, длина которой составляет примерно 800000 нуклеотидных пар, что очень много для синтеза de novo (то есть не на основе другой ДНК или РНК-матрицы). В 2009 году исследователи из лаборатории Крейга Вентера впервые синтезировали таким образом геном другой бактерии и на это у них ушло порядка сорока миллионов долларов и десять лет работы. Несмотря на постоянное совершенствование методов, синтезировать длинные молекулы ДНК по-прежнему довольно сложно, дорого и далеко не всякую последовательность можно синтезировать обычным коммерческим способом. Особенные проблемы возникают с GC-богатой ДНК и с повторами, которые любят спутываться во вторичные структуры. 

Чтобы упростить задачу, Джонатан Венец (Jonathan Venetz) и его коллеги решили модифицировать минимальный геном так, чтобы максимально облегчить синтез, в частности оптимизировав GC-состав. Для этого им пришлось основательно переработать последовательность при помощи ранее разработанного софта Genome Calligrapher и заменить в ней примерно каждую шестую букву. Несмотря на то, что геном сделали практически заново, все закодированные в нем белковые последовательности остались прежними. Это получилось благодаря вырожденности генетического кода, из-за которой одна и та же аминокислота белка может быть записана в ДНК с использованием разных кодонов.

Геном сшили из отдельно синтезированных 236 сегментов, закольцевали и подсадили бактериям вместо обычного генома. По словам ученых, это обошлось им примерно в 120 тысяч долларов. Сравнив работу генов в обычном и синтетическом геноме исследователи выяснили, что лишь 580 из 680 генов оказались функциональны. Это объясняется тем, что в геноме бактерии записаны не только белковые последовательности, но и регуляторные участки и молекулы РНК, для работы которых сохранение правильной конформации очень важно. По-видимому, не все из них оказались известны заранее, и поэтому подверглись «оптимизации», которая их и сломала. С этим результатом в руках авторы планируют создание третьей, полностью функциональной версии генома бактерии, в которой ошибки второй версии были бы исправлены. Они надеются, что нерабочие участки генома смогут рассказать о неизвестных ранее элементах минимального генома Caulobacter. 

О том, как Крейг Вентер и его команда вычисляли первый в мире минимальный геном и зачем это было нужно можно почитать в нашем материале «Прожиточный минимум».

Вера Мухина