Переписування генетичного коду Народжує найбільший штучний геном, коли-небудь створений в лабораторії
Повідомлення, необхідне для побудови організму, полягає в послідовності частин, що складають ДНК. С Проект «Геном людини» це закодоване повідомлення було розшифровано в 3 мільярдах пар основ. Однак зчитування ДНК було лише першим кроком. Геном також можна переписати з нуля.
Група дослідників з Кембриджського університету на чолі з доктором Джейсоном Чіном переписала в лабораторії ДНК виду кишкової палички. Це найбільший штучний геном, коли-небудь побудований, що складається з 4 мільйонів пар основ, у 4 рази більший за інші модифіковані організми на сьогоднішній день. Для друку всієї послідовності знадобиться 970 сторінок. Генетичний код бактерії базується на 61 кодоні, а не на 64, як це відбувається в живому світі.
Нове тіло називається Syn61 і довший за природну бактерію, росте повільніше, але є першим життєздатним організмом з найбільш можливими геномними змінами. Його клітини виробляють однакові білки, але з використанням іншого генетичного коду. Дані дослідження були опубліковані в Nature.
Джерело фотографії - Кембриджський університет
Застосувань для розвитку організмів із синтетичними геномами було б незліченна кількість, від отримання бактерій, стійких до вірусних інфекцій, до створення мікроорганізмів, які дозволяють поглинати вуглекислий газ з атмосфери або виробляти вакцини. В даний час команда Кембриджа працює над визначенням мінімальної кількості генів, необхідних для підтримки життя.
Як працює генетичний код?
В основі молекули ДНК лежать нуклеотиди. Існує 4 типи нуклеотидів залежно від азотистої основи, що в них міститься - аденін, тимін, гуанін та цитозин. Генетичний код - це набір правил, які показують, як цей 4-літерний молекулярний «алфавіт» повинен продукувати 20 природних амінокислот, які входять у структуру білків.
Букви алфавіту мають сенс, коли вони утворюють слова, а слова - речення. Так само 4 букви людського геному читаються відповідно до певних правил, щоб набути значення та побудувати функціональний організм.
Френсіс Крик, один з першовідкривачів структури ДНК, вперше запропонував концепцію КОДОН для визначення нуклеотидної послідовності, яка диктує побудову амінокислоти. Три послідовні нуклеотиди представляють кодон.
Джерело фото - Університет Юти
Генетичний код універсальний, майже всі організми живого світу використовують 64 кодони. З них 61 кодон кодує 20 природних амінокислот. Інші 3 кодони відіграють роль зупинки читання повідомлення, що позначає припинення синтезу білка. Тому це обговорюється надмірність на рівні генетичного коду. Кодонів більше, ніж амінокислот. Амінокислоту можна визначити за кількома кодонами. Наприклад, TTA, TTG, CTT, CTC, CTA, CTG є кодонами, що визначають амінокислоту лейцин.
Зворотне співвідношення не є дійсним. Кодон вказує на одну амінокислоту. Більше того, ще одним важливим елементом є це У генетичному коді немає перекриттів. Три нуклеотиди, що складають кодон, не можуть входити до суміжних кодонів.
Деякі кодони пов’язані з більш швидким процесом трансляції в рибосомах, тоді як інші переносяться повільніше. Таким чином, кодони обробляються по-різному і можуть впливати на збір білка.
Це надмірність не випадкова і корисна за певних обставин. Деякі послідовності ДНК кодують як ген, так і важливу інформацію для регуляції генів, так що з'являються специфічні структури РНК з чітко визначеною роллю. Таким чином, активність вій набагато краще регулюється. Деякі повідомлення декодуються, що призводить до появи певних білків легше, ніж інші.
Метою Кембриджської команди було усунення зайвих кодонів для дотримання мінімального набору генів, необхідних для функціонування організму.
Як це було отримано штучний геном Syn61?
Дослідження проводилося в лабораторії молекулярної біології Medical Research Council (MRC), і було вирішено провести послідовність та модифікацію геному бактерії E. Coli завдяки його здатності виживати, використовуючи невелику кількість генів.
Кілька змін до ключових кодонів було внесено у понад 18 000 місць:
- Кожен кодон TCG був замінений на AGC, кожен кодон TCA був замінений на AGT
- Презерватив TAG зупинки замінено на TAA
Після встановлення послідовності штучного геному в клітини був введений новий генетичний код. Геном був роздроблений на більш дрібні компоненти і поступово вводилися нові шматочки.
Певні синонімічні кодони викликають вироблення різних білків, а деякі характеристики можуть призвести до нездатності клітини вижити.
"Існує багато способів перекодувати геном, але це часто проблематично. Клітини гинуть ». - Доктор Чін.
На основі алгоритму, запропонованого доктором Чіном, бактерія кишкової палички вижила, використовуючи лише 59 кодонів, які визначають всі 20 амінокислот і два стоп-кодони замість трьох.
Раніше повідомлялося про виробництво синтетичних молекул ДНК у лабораторіях у видів дріжджів та бактерії Mycoplasma mycoides, але геном цих організмів має до 1 мільйона пар основ. Геном кишкової палички налічує 4 мільйони пар основ.
Перший організм із повністю синтетичним геномом, вид Mycoplasma mycoides, був вироблений в 2010 році в Інституті Крейга Вентера. Проект тривав понад 15 років, і геном бактерії був набагато меншим, ніж геном кишкової палички.
У 2016 році стартував черговий амбіційний проект "Проект Геном - пишіть", відкриття нового етапу в геноміці. Переписування генетичного повідомлення в лабораторії може призвести до необмежених застосувань у медицині та біології, таких як створення клітин, які не можуть бути заражені вірусами, або введення функцій, які дозволяють клітинам протистояти раковій трансформації.
Справжньою проблемою в розумінні геному людини було не відкриття послідовностей, з яких він складається, а те, як можна використовувати цю інформацію. Першим важливим спостереженням було те, що насправді лише 1-2% геному людини кодує функціональні продукти і складає екзом, що продемонструвало складність організації генетичного матеріалу.
Виявлення мінімальної кількості генів, здатних підтримувати життя, є ще одним ключовим моментом. Так само розширення генетичного «алфавіту», яке вже було встановлено можливим. У 2018 році експерти Дослідницького інституту Скриппса повідомили про безпрецедентні результати, використовуючи ще два типи нуклеотидів, X та Y, на додаток до 4 основних, для отримання функціональних білків. Вони створили перший напівсинтетичний організм, який може зберігати набагато більшу кількість генетичного матеріалу.