Az Egyesült Államok, Franciaország és Kína nemzetközi tudóscsoportja létrehozott egy félszintetikus életformát. Bár a módosított DNS-sel rendelkező baktériumok megszerzésére már történtek kísérletek, a mikroorganizmusok gyengén szaporodtak, különleges tenyésztési feltételeket igényeltek, és végül megszabadultak a beléjük bevezetett módosításoktól. A "Lenta.ru" egy új munkáról beszél, amelyben a kutatóknak sikerült megoldani ezeket a problémákat, miután megszereztek egy lényt, amely radikálisan különbözik a Föld összes természetes élettől.
Nem is olyan régen, bolygónk minden élő szervezetének DNS-je négyféle nukleotidból állt, amelyek adenint (A), vagy timint (T), vagy guanint (G) vagy citozint © tartalmaztak. Tíz vagy százmillió nukleotid húrjai külön kromoszómákat alkotnak. A kromoszómákon található gének lényegében hosszú nukleotidszekvenciák, amelyekben a fehérjék aminosav-szekvenciái vannak kódolva. Három egymást követő nukleotid (kodon vagy triplett) kombinációja a 20 aminosav egyikének felel meg. Így az élet hárombetűs genetikai kódot (ATG, CGC és így tovább) használ, négybetűs ábécé (A, C, T, G) alapján.
Amikor egy szervezet sejtjének szüksége van egy fehérjére (polipeptidre), az azt kódoló gén be van kapcsolva. Ez utóbbi az RNS-polimeráz nevű speciális enzimhez kapcsolódik, amely az átírási folyamat során követni kezdi a nukleotidok szekvenciáját, és létrehoz egy másolatát egy messenger RNS (mRNS) nevű molekula formájában. Az RNS nagyon hasonlít a DNS-hez, de a timin helyett uracilt (U) tartalmaz. Ezt követően az mRNS elhagyja a sejtmagot, és a riboszómákba kerül, ahol receptként szolgál a fehérje aminosavláncának létrehozására a transzláció során.
A kutatók úgy döntöttek, hogy megváltoztatják az Escherichia coli genetikai kódját két további "betű" hozzáadásával. Az a tény, hogy az élő organizmusokban a DNS kettős, vagyis két lánc alkotja, amelyeket komplementer kötések párosítanak egymással. Ilyen kötések jönnek létre az egyik szál A-nukleotid bázisa és a másik T-nukleotid bázisa között (hasonlóan C és G között). Éppen ezért a két új szintetikus nukleotidnak képesnek kell lennie arra is, hogy párosuljon. A választás a dNaM-re és a d5SICS-re esett.
E. coli Escherichia coli
Fotó: Rocky Mountain Laboratories / NIAID / NIH
Egy pár szintetikus nukleotidot inszertáltunk egy plazmidba - egy kettős szálú, kör alakú DNS-molekulába, amely képes elszaporodni külön a baktériumok genomjának többi részétől. Helyettesítettek egy pár komplementer A és T nukleotidot, amelyek a laktóz operon részét képezték - a laktózcukrot metabolizáló gének és a hozzájuk kapcsolódó nem kódoló DNS szekvenciák. A szintetikus nukleotidok nem kerültek bele abba a régióba, amelyet a polimeráz az mRNS-ben másol.
Promóciós videó:
Miért döntöttek úgy a tudósok, hogy nem helyeznek szintetikus nukleotidokat közvetlenül a génbe, hanem mellé? Az a tény, hogy nagyon nehéz egy gént ilyen módon megváltoztatni, hogy működőképes maradjon. Végül is ehhez meg kell kötnie a kapott új kodonokat bármely aminosavhoz. Ehhez viszont meg kell tanítani a sejtet különféle transzport RNS (tRNS) előállítására, amelyek képesek felismerni ezeket a kodonokat.
A tRNS-molekulák a következő funkciót látják el. A teherautókhoz hasonlóan az egyik végén egy bizonyos aminosavat hordoznak, megközelítik a riboszómákban található mRNS-t, és viszont elkezdik a másik végén lévő nukleotidok triplettjét a kodonnal összehangolni. Ha megegyeznek, az aminosavat leválasztják és beépítik a fehérjébe. Ha azonban nincs megfelelő tRNS, akkor a fehérje nem szintetizálódik, ami negatívan befolyásolhatja a sejtek életképességét. Ezért a szintetikus nukleotidok génekbe történő bevezetésével a tudósoknak olyan géneket kell létrehozniuk, amelyek új tRNS-eket kódolnak, amelyek képesek felismerni a mesterséges kodonokat, és a megfelelő aminosavat kötik a polipeptidhez. A kutatók feladata azonban egyszerűbb volt. Biztosítaniuk kellett, hogy a szintetikus nukleotidokkal rendelkező plazmid sikeresen szaporodjon és továbbjutjon a leányorganizmusokhoz.
Az Escherichia coli transzformálásához használt plazmidok
Kép: Denis A. Malyshev / Kirandeep Dhami / Thomas Lavergne / Tingjian Chen / Nan Dai / Jeremy M. Foster / Ivan R. Correa / Floyd E. Romesberg / Természet / Kémiai Tanszék / The Scripps Research Institute
Ezt a pINF-nek nevezett plazmidot E. coli-ba juttattuk. Másolásához azonban szükséges, hogy sok nukleotid jelen legyen a baktériumsejtben. Erre a célra egy másik plazmidot, a pCDF-1b-t inszertáltunk az E. coli-ba. Tartalmazta a Phaeodactylum tricornutum PtNTT2 kova génjét, amely az NTT fehérjét kódolja, amely a nukleotidokat a tápközegből a sejtbe szállítja.
A tudósok azonban számos nehézséggel szembesültek. Először is, a Phaeodactylum tricornutum fehérjei toxikus hatást gyakorolnak az E. coli sejtre. Mindez az aminosav-szekvencia fragmensének jelenléte miatt, amely jelátviteli funkciót hordoz. Hála neki, a fehérje az algasejtben a helyes pozíciót veszi fel, majd a szekvenciát eltávolítják. Az E. coli nem tudja eltávolítani ezt a töredéket, ezért a kutatók segítettek neki. El tudták távolítani az első 65 aminosavat az NTT-ből. Ez jelentősen csökkentette a toxicitást, bár csökkentette a nukleotid transzport sebességét is.
További probléma volt, hogy a szintetikus nukleotidokat sokáig visszatartották a plazmidokban, és nem helyettesítették őket, amikor a DNS-t lemásolták. Mint kiderült, biztonságuk attól függ, milyen nukleotidok veszik körül őket. Ennek kiderítésére a tudósok különféle 16 plazmidba ágyazott kombinációkat elemeztek. Annak megértésére, hogy egy szintetikus nukleotid kiesett-e a szekvenciából, a kutatók CRISPR / Cas9 technológiát alkalmaztak.
CRISPR / Cas9
Kép: Steve Dixon / Feng Zhang / MIT
A CRISPR / Cas9 egy molekuláris mechanizmus, amely a baktériumok belsejében létezik, és lehetővé teszi számukra a bakteriofágok elleni küzdelmet. Más szóval, ez a technológia immunitást képvisel a vírusfertőzésekkel szemben. A CRISPR a DNS speciális szakaszai. Olyan DNS-vírusok rövid töredékeit tartalmazzák, amelyek egykor megfertőzték a mai baktériumok őseit, de belső védekezésükkel legyőzték őket.
Amikor a bakteriofág belép a baktériumokba, ezeket a fragmenseket templátként használják a crRNS nevű molekulák szintéziséhez. Sokféle RNS-lánc képződik, ezek kötődnek a Cas9 fehérjéhez, amelynek feladata a vírus DNS-jének levágása. Ezt csak azután teheti meg, hogy a crRNS megtalálja a vírus DNS komplementer fragmentumát.
Ha a crRNS helyett a plazmid bizonyos fragmensével komplementer RNS-szekvenciát használunk, akkor a Cas9 is levágja a plazmidot. De ha ebben a fragmentben szintetikus nukleotidok vannak, akkor a fehérje nem fog működni. Így a CRISPR segítségével el lehet különíteni azokat a plazmidokat, amelyek rezisztensek a nem kívánt mutációkkal szemben. Kiderült, hogy a 16 plazmidból 13-ban a szintetikus nukleotidok vesztesége jelentéktelen volt.
Így a kutatóknak sikerült létrehozniuk egy olyan organizmust, amelynek alapvető változásai vannak a DNS-ben, és képes korlátlan ideig megtartani őket önmagában.
Bár egy félszintetikus életforma genomjában csak két természetellenes nukleotid található, amelyek nem találhatók meg a kodonokban és nem vesznek részt az aminosavak kódolásában, ez az első rezisztens organizmus, amelynek DNS-ábécéje hat betűből áll. A jövőben a tudósok nagy valószínűséggel képesek lesznek felhasználni ezt az újítást a fehérjék szintetizálására, ezáltal egy teljes értékű mesterséges genetikai kód létrehozására.
Alekszandr Enikeev