Учёные создали устойчивую к вирусам и безопасную E. coli для медицины и промышленности
Исследователи модифицировали штамм бактерии Escherichia coli, сделав его невосприимчивым к естественным вирусным инфекциям и минимизировав риск утечки бактерий или их модифицированных генов в окружающую среду. Это снизит угрозу вирусного заражения при использовании бактерий для производства лекарств (например, инсулина) и других полезных веществ (например, биотоплива), что сейчас может останавливать производство, ставить под угрозу безопасность препаратов и обходиться в миллионы долларов.
Результаты опубликованы 15 марта в журнале Nature.
Устранение уязвимостей предыдущих подходов
Ранее группа из Кембриджского университета создала штамм E. coli, в котором использовалось 61 (вместо естественных 64) набора генетических «строительных блоков» — кодонов. Идея была в том, что вирусы не смогут размножаться в клетках без отсутствующих кодонов. Однако команда из Гарвардской медицинской школы (HMS), взяв пробы из мест с высокой концентрацией E. coli, обнаружила вирусы, которые всё ещё могли заражать модифицированные бактерии, используя собственные механизмы.
Ключ — в «обмане» трансляции
Команда HMS пошла дальше: они не просто удалили определённые кодоны (TCG и TCA, которые в природе кодируют аминокислоту серин), но и добавили новые, «обманные» транспортные РНК (тРНК). Когда эти тРНК видят TCG или TCA, они присоединяют к строящейся белковой цепи лейцин вместо серина.
Когда вирус внедряет свой генетический код, полный TCG и TCA, эти «обманные» тРНК вставляют неверные аминокислоты, что приводит к образованию нефункциональных вирусных белков и блокирует репликацию вируса. Хотя вирусы имеют собственные тРНК, введённые «обманные» тРНК эффективно подавляют их работу.
Преодоление такой защиты потребовало бы от вируса одновременного развития десятков специфических мутаций, что «очень, очень маловероятно в условиях естественной эволюции».
Встроенные меры биобезопасности
Работа включает два отдельных уровня защиты:
Против горизонтального переноса генов. Во всех генах модифицированной E. coli кодоны, кодирующие лейцин, были заменены на TCG или TCA. Бактерии правильно производят лейцин благодаря «обманным» тРНК. Однако если другой организм включит эти модифицированные фрагменты в свой геном, его естественные тРНК прочтут TCG/TCA как серин, что приведёт к синтезу нефункциональных белков. Аналогично, если «обманная» тРНК попадёт в другой организм, её неверное считывание кодонов серина будет токсичным для клетки. Это первая технология, предотвращающая горизонтальный перенос генов из ГМО в природные организмы.
Невозможность выживания вне контролируемой среды. Бактерии были сделаны зависимыми от синтетической аминокислоты, не существующей в природе. В производственных условиях (например, при культивировании для получения инсулина) их будут подкармливать этой аминокислотой. В случае побега они погибнут, что исключает риск заражения людей или животных «супербактериями».
Эта работа открывает путь к созданию полностью устойчивых к вирусам производственных микроорганизмов и демонстрирует общий метод обеспечения биобезопасности ГМО.