Кишечной палочке переписали генетический код
Семь «слов» из генетического словаря бактерии лишились своих прежних значений.
Суть генетического кода в том, что каждой из двадцати аминокислот, из которой сложены белковые молекулы, соответствуют определённые тройки – или триплеты, или кодоны – из четырёх нуклеотидов в ДНК (аденин – А, гуанин – G, цитозин – C и тимин – T; если речь идёт не о ДНК, а о РНК, то в ней вместо тимина мы найдём урацил – U).
Аминокислот – двадцать, нуклеотидов – четыре, и, чтобы получились уникальные соответствия, достаточно использовать тройные комбинации нуклеотидов. Однако чисто математически легко показать, что число возможных тройных нуклеотидных комбинаций из A, G, T и C равно 64. Получается, что триплетов в генетическом коде существует с избытком. Действительно, почти всем аминокислотам соответствует не одно кодоновое «слово», а несколько.
Единственная аминокислота, которой прописан только один кодон – это триптофан, чей триплет выглядит как UGG, где U – урацил (азотистое основание, используемое в РНК), G – гуанин. То есть когда белок-синтезирующая машина едет по молекуле РНК и собирает белковую молекулу, то наткнувшись на UGG, она встроит в растущую полипептидную цепь триптофан. Всем остальным аминокислотам соответствуют по два, по три, а то и по шесть кодонов; так, аминокислота пролин кодируется последовательностями CCU, CCC, CCA, CCG, где А – аденин, С – цитозин, U – урацил, G – гуанин. Кроме того, в генетическом коде есть специальные триплетные сигналы, которые обозначают начало и конец белковой молекулы, то есть начало и конец процедуры синтеза белка – так называемые старт- и стоп-кодоны. Их тоже существует несколько, и, например, в геноме кишечной палочки биосинтез останавливается тогда, когда белок-синтезирующая машина натыкается на одно из следующих стоп-слов: UAG, UAA или UGA.
Несколько лет назад большой команде из Гарвардской медицинской школы вместе с коллегами из Массачусетского технологического института удалось добавить в геном кишечной палочке новое генетическое «слово» – у одного из стоп-кодонов отобрали прежнее стоп-значение, и дали ему искусственную аминокислоту. Понятно, что одной аминокислотой тут дело не обошлось, и нужно было сделать так, чтобы все молекулярные игроки, работающие над синтезом белка, узнавали эту аминокислоту (которой в бактерии не было и которую ей нужно было скармливать).
И вот сейчас та же исследовательская группа под руководством Джорджа Чёрча (George Church) сообщает в Science о новом успехе: им удалось проделать масштабную редакцию бактериального генома, оставив вместо 64 кодонов 57, полностью заменив некоторых случаях один кодон другим, кодирующим ту же самую аминокислоту. То есть если взять тот же вышеупомянутый пролин, то во всех генах, где он был, ССС заменили на ССG. В результате освободилось «слово» CCC, которое теперь ничего не обозначало. И такую процедуру проделали для семи кодонов.
Здесь, конечно, возникает вопрос, как сама бактерия переносит подобные процедуры. Пока что авторы работы последовательно проверяют на кишечной палочке разные куски отредактированного генома, и с уже проверенными 63% переписанной ДНК никаких серьёзных проблем не возникло. В перспективе всё должно закончиться тем, что в бактерию вставят весь отредактированный геном целиком. То есть, иными словами, сейчас переписанные гены существуют в виде генетической конструкции, которую постепенно проверят на совместимость с клеткой.
Возникает вопрос, зачем это нужно. Тут следует вернуться к предыдущим экспериментам, в которых освободившемуся стоп-кодону приписали абсолютно новую аминокислоту. Бактерия после всего приобрела устойчивость к вирусу-бактериофагу, которым её пытались заразить. Почему так случилось, понятно, ведь у вируса тот кодон по-прежнему был стоп-сигналом, но, поскольку вирус полагается на белоксинтезирующий аппарат бактерии, то бактерия в соответствии с своей редакцией, кода вставляла в вирусный белок аминокислоту, синтез продолжался, и в результате у вируса получался какой-то совсем бесполезный белок. То есть благодаря редакции кода бактерия приобрела новые свойства. В то же время её рост и размножение можно быстро подавить, просто отобрав у неё нужную аминокислоту.
Теперь же таких освободившихся кодонов у нас на руках целых семь, и это не предел – исследователи исчерпали не всю избыточность кода. То есть перед нами открываются новые перспективы в создании синтетических организмов и молекул с заданными свойствами. Нафантазировать тут можно что угодно: представим, например, белки, у которых появится способность связывать какие-то необычные металлы, или ферменты, которые будут включаться только в присутствии какого-то сигнала, например, раковой клетки, и т. д. В конце концов, можно создавать штаммы бактерий, которые будут «по заказу» разлагать нефть и пластмассы; причём такие штаммы можно будет легко держать под контролем, не боясь, что они «захватят мир».
Однако следует помнить, что при всех достижениях генной инженерии и прочей биотехнологии, подобные процедуры всё ещё требуют массу времени и труда, так что предсказать, когда именно редактирование кода станет рутинной процедурой, не возьмётся никто.
По материалам Science.
