Ученые создали синтетический геном бактерии, связав вместе строительные блоки ДНК - и новый геном сделал микроб невосприимчивым к вирусной инфекции.
Исследовательская группа сообщила в своем новом исследовании даже при воздействии коктейля из бактериофагов - вирусов, заражающих бактерии - дизайнер Escherichia coli остался невредимым, в то время как неизмененная версия бактерии быстро поддалась вирусной атаке и погибла. Потому, что вирусы обычно захватывают внутренние механизмы клетки, чтобы создавать новые копии самих себя, но в цепочке E. coli этого механизма больше не существовало.
«Наше понимание генетического кода позволило нам выдвинуть гипотезу о том, что вирусы не должны иметь возможность инфицировать и размножаться» в модифицированной кишечной палочке, и это оказалось правдой, - сказал первый автор Уэсли Робертсон, доктор наук, исследователь синтетической биологии. в Лаборатории молекулярной биологии MRC (MRC-LMB) в Великобритании Создание устойчивости бактерий к вирусной инфекции может быть полезно при разработке лекарств, поскольку, например, такие препараты, как инсулин и некоторые ингредиенты вакцин, выращиваются в бактериях, пишут авторы в своем исследовании. .
Но несмотря на то, что это было приятным преимуществом, сделать неуязвимую для вирусов кишечную палочку, не было главной целью исследования, сказал Робертсон. Команда хотела заменить гены и клеточные механизмы, которые они удалили, перепрограммированными механизмами собственной разработки, чтобы микроб производил белки в соответствии с их инструкциями.
Клетки обычно используют только 20 строительных блоков, называемых аминокислотами , для построения всех своих белков, но теперь ученые могут ввести «неестественные аминокислоты» для использования в конструкции белков, которые имеют тот же основной каркас, что и все аминокислоты, но с новыми боковыми цепями. . Таким образом, команда подтолкнула своих модифицированных микробов к созданию макроциклов - класса молекул, используемых в различных лекарствах, включая антибиотики, - с неестественными аминокислотами, включенными в их структуры. По словам Робертсона, в будущем та же система может быть адаптирована для производства материалов, подобных пластику, без необходимости использования сырой нефти.
«Десять лет назад это было немыслимо», - сказал Абхишек Чаттерджи, доцент химии Бостонского колледжа, который не принимал участия в исследовании. По его словам, если предположить, что метод может быть легко принят другими лабораториями, его можно будет использовать для самых разных целей, от разработки лекарств до производства невиданных ранее материалов.
«Вы действительно можете создать класс полимеров, о котором никто не слышал», - сказал Чаттерджи. «Когда эта [технология] станет действительно эффективной и все недостатки будут устранены, она может стать двигателем для разработки новых классов биоматериалов», которые, например, могут быть использованы в медицинских устройствах, которые имплантируются в человеческое тело, - сказал он. .
Создание геномов с нуля
Чтобы создать свою программируемую кишечную палочку , команда воспользовалась особенностью процесса преобразования генетической информации в белки.
Как и человеческая ДНК , хромосомы E. coli содержат четыре основания: аденин (A), тимин (T), цитозин (C) и гуанин (G). Набор из трех оснований, таких как, например, TCG или AGC, известен как кодон, и каждый кодон соответствует одной аминокислоте или строительному блоку белка. Кроме того, некоторые кодоны сообщают клетке, когда нужно прекратить строить белок; они называются «стоп-кодонами».
Когда клетке нужен определенный белок, фермент набрасывается и копирует все соответствующие кодоны для этого белка и сохраняет эту информацию в новой молекуле, называемой информационной РНК (мРНК). Затем мРНК отправляется на фабрику построения белка клетки, рибосому, где другая молекула, называемая транспортной РНК (тРНК), считывает эти скопированные инструкции. Затем тРНК извлекает все аминокислоты, необходимые для построения желаемого белка, вплоть до стоп-кодона.
Основания ДНК могут быть расположены в 64 различных трехосновных кодонах, три из которых являются стоп-кодонами. Тем не менее, клеткам на самом деле нужно работать только с 20 аминокислотами, что означает, что несколько разных кодонов кодируют одни и те же аминокислоты.
«В генетическом коде присутствует избыточность, в которой 64 кодона, но только 20 строительных блоков», - сказал Робертсон. Робертсон и его коллеги задались вопросом, могут ли они, заменив избыточные кодоны их «синонимами», переназначить некоторые из этих избыточных кодонов для кодирования новых аминокислот, не убивая клетку.
В предыдущем исследовании команда преодолела первое препятствие в этой задаче, создав новый штамм кишечной палочки с урезанным геномом. Под руководством Джейсона Чина, руководителя программы MRC-LMB и главы Центра химической и синтетической биологии, группа заменила все кодоны TCG и TCA на AGC и AGT, которые все кодируют аминокислоту серин.
Они сделали это, используя технику под названием «вырезание репликона для улучшенной инженерии генома посредством запрограммированной рекомбинации», или просто REXER для краткости. REXER может вырезать большие части генома E. coli за один шаг и заменить вырезанный фрагмент синтетической ДНК, которая в данном случае использовала AGC и AGT вместо TCG и TCA. Этот процесс можно применять поэтапно, постепенно уменьшая геном так, чтобы кусок за фрагментом заменяли синтетической ДНК; Таким образом, команда удалила все экземпляры TCG и TCA из своего штамма E. coli .
«Если вы собираетесь внести кучу изменений, на самом деле более эффективно начать с нуля и просто строить его снизу вверх», а не заменять кодоны один за другим в естественном геноме, - сказал Робертсон. Команда также поменяла стоп-кодон TAG на TAA, синонимичный стоп-кодон, и таким образом освободила три кодона для их перепрограммирования, поскольку клетка больше не содержала TCG, TCA или TAG.
Рекламное объявление
И, несмотря на удаление этих трех кодонов, новый штамм E. coli хорошо выжил в лабораторных условиях, и команда отобрала те клетки, которые быстрее всего росли в клеточной культуре. Робертсон отметил, что клетки, прошедшие эту направленную эволюцию, надежно росли в лабораторных чашках, хотя модифицированная кишечная палочка быстро погибла бы, если бы ее поместили вне контролируемой лабораторной среды.
Докторанты Уэсли Робертсон и Даниэль де ла Торре (слева) возглавили переназначение кодонов на неестественные аминокислоты и аспекты синтеза неестественных полимеров в рамках проекта. Аспирант Луиза Функе (вторая справа) возглавила эксперименты по эволюции бактериального штамма, а научный сотрудник Джулиус Фреденс (крайний справа) продемонстрировал устойчивость модифицированных клеток к фагам.(Изображение предоставлено У. Робертсон, Лаборатория молекулярной биологии MRC)
Система plug-and-play
Теперь, в своем последнем исследовании, команда внесла последнюю поправку в свою кишечную палочку , удалив гены, кодирующие две определенные молекулы тРНК - молекулы, которые считывают кодоны и собирают все подходящие аминокислоты. Эти тРНК обычно распознают кодоны TCG и TCA. Команда также удалила гены так называемого фактора высвобождения, который обычно распознает стоп-кодон TAG. Команда обнаружила, что эти изменения сделали новый штамм бактерий неуязвимым для вирусов.
Геномы вирусов содержат кодоны TCG, TCA и TAG, но без правильной тРНК и факторов высвобождения разработанная E. coli не может читать эти вирусные гены и, следовательно, не может стать жертвой патогенов. «Когда вирус заражается, он не имеет того же генетического кода, что и наши [модифицированные клетки E. coli ], и тогда он не может производить свои собственные белки и не может размножаться», - сказал Робертсон.
Но опять же, основная цель исследования состояла в том, чтобы перепрограммировать освобожденные кодоны для генерации новых белков. Для этого команда создала молекулы тРНК, которые сочетались с неестественными аминокислотами собственной разработки; эти тРНК были запрограммированы на распознавание кодонов TCG, TCA и TAG, которые теперь отсутствуют в модифицированном штамме E. coli . Команда повторно ввела недостающие кодоны, поместив их в небольшие петли ДНК, называемые плазмидами, которые можно вставить в бактерию без изменения ее генома.
Рекламное объявление
Плазмиды, тРНК и неестественные аминокислоты предоставили исследователям все чертежи, инструменты и материалы, необходимые клеткам для создания дизайнерских белков. «Таким образом, вы можете производить белки в клетке программируемым образом, основываясь на ДНК, которую мы предоставляем клетке, с 23 строительными блоками, а не с 20», - сказал Робертсон. «Это настоящая система plug-and-play».
Другие исследовательские группы пытались ввести в белки неестественные аминокислоты в прошлом, но эти стратегии были не очень эффективными, написали Чаттерджи и Далила Джуэл, аспирант лаборатории Чаттерджи. Например, лаборатория Чаттерджи успешно соединила неестественные аминокислоты со стоп-кодонами в E. coli , но этот метод позволил им вставить эти неестественные аминокислоты только в один сайт в конечном белке, как они сообщили в исследовании 2019 года в Journal of Американское химическое общество .
«Теперь, благодаря новому методу, ученые могут начать раздвигать границы того, какие белки и полимеры они могут создавать», - сказал Чаттерджи Live Science. «Это своего рода воображение. Как могут выглядеть эти аминокислоты?» он сказал. «Какую химию они могли иметь, какие у них могли быть функции, к которым природа никогда не имела доступа?»
Заглядывая в будущее, ученые потенциально могут удалить еще больше кодонов из генома E. coli , освободив еще больше каналов для создания дизайнерских белков, сказал Робертсон. Но на данный момент, по его словам, будет достаточно работать с тремя открытыми каналами. «Нужны ли нам семь открытых каналов? Или трех открытых каналов достаточно, чтобы действительно расширить наши возможности с точки зрения предоставления новых приложений?» он сказал. «Сейчас выгодно просто сосредоточиться на приложениях».
Подписывайтесь на «Гродно 24» в Дзен Новости и на наш канал в Дзен