Американские генетики расширили генетический «алфавит» на две буквы и впервые смогли успешно вставить «слова» из них в ДНК кишечной палочки, что открывает возможности по прямому «программированию» на генетическом коде. Методика выращивания таких бактерий и выводы ученых опубликованы в журнале Nature.
Геном любого живого организма можно представить в виде своеобразной «живой» программы. Как и ее компьютерные аналоги, она написана на особом языке программирования, который состоит из четырех «букв»-нуклеотидов и 64 «слов»-триплетов. Эти слова кодируют аминокислоты, из которых состоят белки, а также исполняют различные специальные функции, вроде «старт» и «стоп»-сигналов.
Флойд Ромесберг. Фото: scripps.edu
Флойд Ромесберг из Института Скриппса в Ла-Хойе (США) и его научная команда с начала 90-тых годов пытаются «расширить» этот алфавит и работают над созданием синтетического организма, генетический код которого состоял бы из шести «букв».
Интерес ученых к расширению «языка жизни» обусловлен тем, что появление лишних «букв» и «слов» в геноме позволит молекулярным биологам писать свои собственные «биопрограммы», не мешающие работе всех остальных частей клетки или всего организма в целом.
Расширение генетического «алфавита» — крайне сложная задача. Во-первых, новые «буквы» должны соединяться с такой же силой, как сцепляются друг с другом молекулы аденина и тимина, цитозина и гуанина, представляющие собой четыре базовых нуклеотида. Во-вторых, они должны быть совместимыми со стандартными процессами «чтения» и «записи» генетической информации и не мешать процессу «свертки» ДНК в двойную спираль.
На решение этих проблем у группы Ромесберга ушло без малого почти 20 лет. Большую часть времени ученые потратили на создание подходящих искусственных нуклеотидов — d5SICS и dNaM, работа над которыми была завершена в 2008 году. Эти молекулы соответствуют всем требованиям «биопрограммирования» и не вызывают негативной реакции в клетке при их вставке в произвольный сегмент ДНК.
«Эти синтетические нуклеотиды отлично работали в пробирке, однако нам предстояло решить проблему их совместимости с чрезвычайно сложной средой внутри живой клетки», — пояснил ведущий автор статьи Денис Малышев, один из сотрудников лаборатории Ромесберга.
Так художник представил себе «строчки» генетического кода с добавлением синтетических нуклеотидов. Фото: Synthorx
Малышеву, Ромесбергу и их коллегам предстояло решить новый комплекс задач — научить клетку работать с новыми «буквами», доставлять их к месту сборки молекул ДНК и РНК, а также захватывать новые молекулы d5SICS и dNaM из внешней среды, так как клетка не умеет самостоятельно производить их.
Практически сразу биологи столкнулись с проблемой — им не удавалось подобрать ферменты, способные «перетаскивать» новые нуклеотиды через клеточную стенку. Через два года безуспешных поисков Малышев и Ромесберг натолкнулись на нужные им транспортировочные белки, изучив содержимое клеток и ДНК двух видов одноклеточных водорослей  — Thalassiosira pseudonana и Phaeodactylum tricornutum.
Гены, содержащие в себе инструкции по производству этих белков, помогли группе Ромесберга создать кишечную палочку, кольцевая хромосома которой содержала в себе несколько пар синтетических «букв». Благодаря точно подобранным химическим свойствам и трехмерной структуре молекул d5SICS и dNaM, клетка не заметила появления «лишних» нуклеотидов и оперировала ими так же, как и базовыми четырьмя «буквами» ДНК.
По словам ученых, данная система «программирования» клетки является абсолютно безопасной. При отсутствии синтетических букв в питательной среде клетки бактерий постепенно заменяют их аденином и другими нуклеотидами, что фактически «стирает» биопрограмму, написанную учеными. Поэтому при «побеге» таких микробов из лаборатории можно не опасаться того, что они начнут размножаться на воле и вызовут экологическую катастрофу.
Как отмечают сами авторы статьи и опрошенные журналом Nature эксперты, теперь ученые смогут напрямую составлять и вводить в клетки «инструкции» для сборки молекул лекарств, биотоплива и даже неорганических наночастиц. В своей следующей работе группа Ромесберга попытается сделать первый шаг к «синтетическому будущему» и научит клетку «читать» такие инструкции и собирать молекулы белков из не существующих в природе аминокислот.

Источник: rusplt.ru