Новые исследования помогают оценить и улучшить геномную инженерию бактерий

Исследователи из лаборатории генетика Джорджа Чёрча в Гарвардской медицинской школе достигли двух новых успехов в своей работе по безопасному и точному расширению генетического кода жизни.

Эти результаты приближают учёных к созданию новых методов терапии заболеваний, удешевлению производства лекарств и биотоплива, обеспечению невозможности выживания генетически модифицированных организмов (ГМО) вне строго контролируемых условий.

  • Одно исследование, опубликованное в PNAS 13 февраля, раскрывает некоторые стратегии, которые бактерии вырабатывают для борьбы с побочными эффектами генетической модификации.
  • Другое, опубликованное в PNAS в январе, представляет улучшенный инструмент для проверки, который помечает некорректные замены аминокислот.

Цели и задачи

Цель работы — расширить химические структуры и функции белков. Белки, состоящие в норме из 20 стандартных аминокислот, определяют большинство функций клетки. Введение нестандартных аминокислот позволяет наделять белки функциями, недоступными для природы.

Практические приложения:

  1. Биобезопасность (биоконтеймент): Контроль распространения ГМО в окружающей среде. Например, создание штамма E. coli, жизнеспособность которого зависит от нестандартной аминокислоты.
  2. Медицина: Повышение эффективности производства белковых препаратов (биологиков), таких как конъюгаты антител с лекарствами, за счёт использования нестандартных аминокислот.

Усовершенствованный инструмент для проверки белков

Проблема: При внедрении нестандартной аминокислоты в белок в некоторых позициях может случайно встраиваться стандартная. Существующие методы проверки этого — трудоёмкие и дорогие.

Решение: Исследователи заимствовали компоненты системы деградации белков и модифицировали их, чтобы они лучше различали нестандартную аминокислоту и стандартную, которую она должна заменить (или различали разные нестандартные аминокислоты между собой).

Результат: Создан высокопроизводительный метод оценки точности встраивания, что является большим шагом к разработке более точных и специфичных систем для работы с нестандартными аминокислотами.

Изучение и улучшение жизнеспособности модифицированных бактерий

Исходная ситуация: В 2013 году лаборатория Чёрча создала штамм E. coli, в котором все 321 кодон UAG (стандартный стоп-кодон) были заменены на кодоны для нестандартных аминокислот. Помимо целевых изменений, произошло около 350 случайных мутаций, из-за которых бактерии стали «больными»: они медленно росли, особенно в бедных питательными веществами промышленных условиях.

Подход: Исследователи позволили бактериям эволюционировать в условиях с ограниченным питанием, чтобы выявить причины их плохого состояния и способы адаптации.

Ключевые выводы:

  1. Проблемы от целевых изменений: Рибосома «застревает» на новых кодонах нестандартных аминокислот, что снижает эффективность синтеза многих белков. В условиях дефицита питательных веществ это критично, так как бактериям нужно экспрессировать максимум генов для самостоятельного выживания.
  2. Компенсация нецелевых мутаций: Бактерии эволюционировали, чтобы смягчить последствия случайных мутаций. Например, одна из мутаций при первоначальном конструировании штамма привела к чрезмерной экспрессии важного гена. В процессе эволюции бактерии «добавили» перед ним стоп-сигнал, который снизил его активность в 10 000 раз, вернув к нормальному уровню.

Практическая польза: Учёные могут использовать улучшенный штамм или применить выявленные ключевые адаптивные изменения к своим бактериям для конкретных задач.

Вопрос биобезопасности и эволюции

Вопрос: Могут ли бактерии в процессе эволюции «обойти» внедрённые изменения, например, необходимые для биоконтеймента?

Наблюдения и ответы:

  • Повышение точности встраивания нестандартных аминокислот (из первого исследования) улучшает биоконтеймент.
  • В эволюционном эксперименте бактерии не «отменили» генетические изменения (кодоны UAG не вернулись). Вместо этого они научились лучше с ними справляться, что является желательным результатом.
  • Для дополнительной защиты от маловероятного «побега» можно увеличивать число генов, зависимых от нестандартных аминокислот (не 2-3, а 4-5).

Текущая работа: Проводится исследование по количественной оценке частоты «побегов» у биобезопасных организмов, эволюционирующих в ускоренном режиме.

Перспективы

Одно из самых многообещающих направлений — создание штамма E. coli с семью изменёнными аминокислотами. Эта область исследований ещё очень молода и открывает огромное пространство для новых научных возможностей.