Изследователи от лабораторията за молекулярна биология на Английския медицински съвет успешно създадоха бактерии E. coli с изцяло създадена от човека ДНК, маркирайки крайъгълен камък в развиващата се област на синтетичната биология и проправи пътя за бъдещи иновации, изградени върху така наречените „дизайнерски“ бактерии,
Според ново проучване, публикувано в списанието Nature, синтетичният геном е най-големият по рода си. Продуктът на двугодишна изследователска кампания, преработената ДНК се състои от четири милиона сегмента - четири пъти повече от предишния рекордьор. Може би най-впечатляващото е, че бактериите съдържат само 61 кодона, за разлика от 64, открити в почти всички живи същества. Въпреки това привидно различие, изглежда, синтетичните бактерии функционират много като нормална Е. коли. Основните разлики, както отчита Карл Цимер от The New York Times, са по-бавният темп на растеж и по-голямата дължина.
„Беше напълно неясно дали е възможно да се направи геном толкова голям и дали е възможно да го променим толкова много“, съавторът на изследването Джейсън Чин, биолог в университета в Кеймбридж, казва на Ian Sample на Guardian .
Но тъй като Том Елис, директор на Центъра за синтетична биология в Империал Колидж Лондон и рецензент на изследването, обяснява на Райън Манделбаум на Gizmodo, усилията на екипа в крайна сметка завършват в „обиколна сила” за тази област: „Те синтезират, построен и показа, че синтетичен геном с 4 милиона база може да работи ", казва Елис. "Това е повече от всеки, който е правил преди."
За да „прекодират“ геном, учените трябва да манипулират 64 кодона или трибуквени комбинации от ДНК молекулите A, T, C и G - къси за аденин, тимин, цитозин и гуанин - които захранват всички живи организми. Тъй като всяка от трите позиции в кодон може да побере някоя от четирите молекули, има 64 общи възможни комбинации (4 х 4 х 4). Тези комбинации от своя страна съответстват на специфични аминокиселини или органични съединения, които изграждат протеините, необходими за живота. TCA, например, съвпада с аминокиселинния серин, докато AAG определя лизин. ТАА действа като стоп знак за сортове, като сигнализира на организма да спре да добавя аминокиселини към развиващ се протеин, обяснява Шарън Бегли.
Има още една уловка на този вече сложен процес: тъй като има само 20 аминокиселини, свързани с генетичния код, множество кодони могат да съответстват на една киселина. Серинът например е свързан не само с TCA, но и с AGT, AGC, TCT, TCC и TCG. Както пише Джон Тимър Ars Technica, несъответствието в броя на кодоните спрямо аминокиселините прави 43 кодона до голяма степен външни. Въпреки че клетките използват тези допълнителни набори като стоп кодове, регулаторни инструменти и по-ефективни пътища към кодирането на конкретен протеин, остава фактът, че много от тях са излишни.
Определяйки колко излишни бяха изведени тези допълнителни кодони, бяха изпробвани големи грешки. Чин казва на Бегли: "Има много възможни начини да прекодирате геном, но много от тях са проблематични: клетката умира."
За да създадат успешния синтетичен геном, Чин и неговите колеги заменят всеки екземпляр от сериновите кодони TCG и TCA съответно с AGC и AGT. Екипът също замени всеки TAG кодон, сигнализирайки за спиране, с TAA. В крайна сметка, отбелязва Цимер на The New York Times, кодираната ДНК използва четири серинови кодона, а не четири и два стоп кодона, а не три. За щастие, учените не трябваше да завършат тази работа на ръка. Вместо това те извършиха 18 214 замени, като обработваха кода на E. coli като огромен текстов файл и изпълниха функция за търсене и замяна.
Прехвърлянето на тази синтетична ДНК в бактерията се оказа по-трудна задача. Предвид дължината и сложността на генома, екипът не успя да го въведе в клетка с един опит; Вместо това учените подходиха към работата поетапно, старателно разбивайки генома на парчета и трансплантирайки го в живи бактерии по малко.
Успехите на изследователите са двойни, казва Чин в интервю за Антонио Регаладо от MIT Technology Review . Не само преработеният геном е „техническо постижение“, но и „ви казва нещо основополагащо за биологията и за това колко реално е генетичният код“.
Според пробата на Guardian, изследванията могат да помогнат на учените да създадат вирусоустойчиви бактерии, оборудвани за използване в биофармацевтичната индустрия; E. coli вече се използва за производството на инсулин и медицински съединения, които лекуват рак, множествена склероза, сърдечни пристъпи и очни заболявания, но благодарение на чувствителността на ДНК към несинтетичната ДНК към определени вируси, производството може лесно да бъде спряно.
Друго ключово значение на изследващите центрове върху аминокиселините. Както пише BBC News Roland Pease, използването на генома на E. coli на 61 от 64 възможни кодона оставя три отворени за препрограмиране, отваряйки вратата за „неестествени строителни блокове“, способни да изпълняват по-рано невъзможни функции.
Говорейки с Цимер, Фин Стърлинг, синтетичен биолог от Медицинския университет в Харвард, който не е участвал в новите изследвания, заключава: „На теория бихте могли да кодирате всичко.“
