Как и зачем исследователи переписали генетический рецепт E. coli
Исследователи из лаборатории Джорджа Чёрча в Гарвардской медицинской школе работают над созданием бактериального генома с рекордным количеством изменений. Разработанный ими метод поможет другим учёным, пытающимся вносить множество правок одновременно в геном любого организма.
В чём новизна работы?
Ранее лаборатория заменяла около 300 экземпляров одного конкретного кодона (трёхбуквенной последовательности ДНК) во всём геноме E. coli. Теперь цель — внести более 60 000 изменений, чтобы заменить сразу семь кодонов. Вместо постепенного редактирования существующего генома исследователи вычислительно спроектировали и синтезировали совершенно новый геном E. coli с уже встроенными модификациями.
Сработал ли метод?
Проект ещё не завершён, но пока всё работает очень хорошо. Синтетический геном был сконструирован в виде 87 перекрывающихся сегментов, которые тестируются по одному в живых клетках. Цель — убедиться, что при вставке рекодированных генов клетка остаётся живой и нормально экспрессирует белки. Затем все сегменты будут объединены в единый полностью рекодированный геном.
На данный момент проверено около двух третей генома (55 из 87 сегментов). К удивлению и радости учёных, проблемы обнаружены только в 13 из 2229 протестированных генов. Это очень мало, учитывая масштаб изменений, что вселяет уверенность в успехе метода.
Почему тестируют сегментами?
Если бы все изменения были внесены одновременно, и геном не работал, было бы очень сложно определить, какой именно из 4000 изменённых генов вызывает проблему. Тестирование отдельных генов заняло бы слишком много времени. Поэтому выбран промежуточный вариант — работа с более крупными сегментами ДНК. Это позволяет тестировать группы генов одновременно, но не слишком большие, чтобы можно было быстро устранять неполадки.
Что значит «сильно модифицированный» геном?
- Изменение трансляции генетического кода: Большинство организмов используют 64 кодона для трансляции ДНК в белки. Рекодированная E. coli спроектирована для использования только 57 кодонов. Это беспрецедентный уровень изменений для синтетического организма.
- 100% синтетическое происхождение: ДНК этого организма будет на 100% химически синтезирована, а не унаследована от родительской клетки. Это гибрид компьютерного дизайна и чертежа генома E. coli. Разница — между редактированием текста (что делали раньше) и написанием нового текста в масштабе целого генома.
Зачем это нужно?
- Полезные свойства: Создаваемый штамм бактерий
приобретёт новые свойства для медицинских и промышленных применений,
которые трудно или невозможно получить с помощью точечных изменений
генома.
- Устойчивость к вирусам: Вирусы для репликации полагаются на тот же генетический код, что и клетка-хозяин. Радикально изменив генетический код бактерии (уменьшив число кодонов до 57), исследователи делают её несовместимой с большинством вирусов. Это может предотвратить заражение производственных штаммов, например, при производстве инсулина, и сэкономить миллионы долларов.
- Генетическая изоляция (биоконтеймент): Освободившиеся кодоны можно переназначить для кодирования нестандартных аминокислот. Это позволяет создавать организмы, зависимые от веществ, не встречающихся в природе, что не даст им выжить вне контролируемой лабораторной или промышленной среды.
- Фундаментальная наука: Неизвестно других организмов, использующих только 57 кодонов. Изучение эффектов масштабной замены кодонов представляет большой научный интерес.
Ответственность и вызовы
Исследователи осознают ответственность и необходимость общественного контроля над такими технологиями. Биоконтеймент — первый шаг в этом направлении.
Работа показывает, что писать большие геномы возможно, но это непросто. Даже с геномом E. coli, который намного меньше и проще человеческого, остаётся много технологических проблем. Биологические эффекты изменений последовательности генома трудно предсказать. Каждая обнаруженная проблема — это обычно непредвиденный биологический феномен, не объясняемый текущими моделями.
Проект представляет собой новый, инженерный подход к биологии: проектирование целого генома, синтез, тестирование, возврат к исправлению — итеративно и с большей предсказуемостью.