Ученые сократили генетический код E. coli до 57 кодонов вместо обычных 64

ДНК почти всех живых организмов содержит избыточности. Ученые давно задавались вопросом, служат ли эти избыточности какой-то цели или являются просто "наследием" эволюции. И ДНК, и РНК содержат кодоны — последовательности из трех нуклеотидов, которые либо кодируют определенную аминокислоту для построения белка, либо сигнализируют об остановке синтеза (стоп-сигнал).

Всего существует 64 возможные комбинации кодонов, и они практически универсальны для всей жизни на Земле. Однако многие кодоны избыточны. Клетка использует только 20 аминокислот, при этом 61 из 64 кодонов кодируют аминокислоты, а 3 служат стоп-сигналами. Это создает значительную избыточность.

Некоторые исследования предполагают, что избыточность может защищать от мутаций, но сокращение генетического кода путем удаления "лишних" частей также может быть полезным. В 2019 году группа ученых сократила геном E. coli с 64 до 61 кодона, внеся 18 214 изменений. Полученный штамм назвали Syn61; этот устойчивый к вирусам организм используется для создания более надежных лекарств и производства новых материалов.

Теперь другая группа ученых (включая некоторых участников проекта Syn61) смогла еще больше сократить генетический код E. coli — до 57 кодонов, создав штамм Syn57. Их работа недавно опубликована в журнале Science.

Это дальнейшее сокращение потребовало колоссальных усилий. Команда внесла более 101 000 изменений в кодоны, разделив геном на 38 секций и тщательно заменяя избыточные кодоны на синонимичные (выполняющие ту же функцию). После каждой замены исследователи должны были определить, не навредит ли она жизнеспособности бактерии, прежде чем двигаться дальше.

"Картирование и исправление дефектов на каждом этапе синтеза часто было критически важным для перехода к следующему шагу. Эти эксперименты задают парадигму для интеграции оперативного картирования и исправления первоначальных планов в схемы синтеза, так что локальные дефекты выявляются и устраняются рано, а более сложные, потенциально эпистатические или синтетически летальные дефекты — по мере их появления в процессе сборки".

В итоге команда успешно сократила генетический код до 57 кодонов, заменив шесть смысловых кодонов и один стоп-кодон на синонимичные. Полученные бактерии с новым кодом являются живым организмом, но исследователи обнаружили, что они растут примерно в четыре раза медленнее, чем родительский штамм — проблему, которую они надеются в будущем решить. При этом новый штамм демонстрирует измененный профиль экспрессии генов, что указывает на широкую физиологическую адаптацию.

Возможные применения нового штамма включают создание устойчивых к вирусам организмов для биотехнологий и промышленности, а также синтез белков и полимеров с новыми свойствами. В целом, исследователи оптимистично оценивают потенциал этого штамма. Их работа также ставит вопросы о существовании предела сокращения числа кодонов и о возможности создания организмов с совершенно новой биохимией.

"Эта работа служит примером того, как синтез геномов может перемещать последовательности геномов организмов в новые области пространства последовательностей, которые, возможно, не были доступны для естественной жизни".