Биологи создали полусинтетическую жизнь

Американские биологи впервые вырастили жизнеспособные бактерии, содержащие ДНК с парой дополнительных искусственных нуклеотидов. Об этом они сообщают в статье, опубликованной журналом Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Генетический код всех живых организмов состоит из комбинаций всего двух пар нуклеотидов, которые образуют цепочки ДНК или РНК. Единственное исключение появилось лишь теперь, когда учёным из команды Флойда Ромесберга (Floyd Romesberga) из Исследовательского института Скриппса удалось синтезировать дополнительную пару нуклеотидов, не использующуюся в природе, и дополнить ей "генетический алфавит" кишечной палочки Escherichia coli.

Биологи и прежде получали искусственные пары нуклеотидов и даже системы, содержащие построенные из них нуклеиновые кислоты и модифицированные ферменты, способные копировать и использовать их как обычную ДНК. В 2014 году это удалось и Флойду Ромесбергу, который теперь заставил дополнительную пару нуклеотидов работать в клетках живой бактерии.

Первую попытку внести искусственные нуклеотиды (d5SICS и dNaM) в кишечную палочку учёные предприняли тогда же, в 2014-м. Синтезировать их самостоятельно клетки не могли, но получали из питательной среды благодаря модифицированным белкам-переносчикам. Это позволяло работать ферментам-нуклеазам, удваивая добавленный учёными небольшой фрагмент ДНК (плазмиду). Однако эта "чужеродная" ДНК оказалась нестабильной, по мере деления и смены поколений бактерии её утрачивали или погибали сами. В результате полноценной полусинтетической жизни не получилось. С тех пор учёные работали над тем, чтобы стабилизировать её существование на протяжении любого числа циклов деления, и недавно им это удалось.

Для этого Ромесбергу и его соавторам пришлось модифицировать белок-переносчик искусственных нуклеотидов, который оказался токсичен для клеток кишечной палочки. Изменениям подвергся и один из нуклеотидов: в новом варианте он лучше распознаётся ферментами клетки, облегчая воспроизводство плазмиды с нестандартной ДНК.

Наконец, учёные использовали собственную систему противовирусной защиты бактерий CRISPR-Cas9. В норме она призвана реагировать на вторжение, узнавая вирус по соответствию его генома фрагментам-образцам, которые хранятся в специальных участках бактериальной хромосомы — CRISPR-кассете. Авторы изменили CRISPR-кассету так, что она заставляла систему реагировать на любую плавающую в цитоплазме ДНК как на вторжение, если только эта ДНК не содержит модифицированных нуклеотидов. Таким образом, из популяции исчезла ДНК, потерявшая эти искусственные звенья.

Всё это позволило, наконец, получить первые стабильно существующие полусинтетические бактерии кишечной палочки. Они не погибали и сохраняли ДНК с искусственными нуклеотидами в течение как минимум 60 делений, после чего авторы уже прекратили наблюдения. Теперь перед ними стоит, пожалуй, ещё более сложная задача.

Дело в том, что пока искусственные нуклеотиды полностью бесполезны. На порядок расширяя возможности кодирования информации, они, тем не менее, не кодируют ничего. Учёные должны ещё создать систему ферментов, способных считывать эту информацию и превращать её в белки, аминокислотный состав которых, видимо, также придётся расширить. А рано или поздно потребуется и найти способ эффективно использовать все эти новые возможности. Теоретически они позволят получать искусственные организмы с совершенно невероятными, невозможными в природе свойствами. Но какой именно будет такая полусинтетическая жизнь и будет ли она вообще, людям ещё предстоит решить.

Материалы по теме: "Отредактируй" меня полностью. Как опыты с генами помогают в борьбе со смертью

Орудие генного редактирования использовали для записи "биографии" клетки в ДНК