Биологи создали штамм кишечной палочки Escherichia coli, геном которой был целиком синтезирован заново. При этом в ее геноме полностью заменили три кодона на синонимичные, таким образом, сократив генетический код с 64 до 61 позиции. Если геном первого организма с синтетическим геномом содержал «всего» миллион пар оснований, на сей раз эту цифру удалось превысить в четыре раза, констатируют авторы статьи в Nature.
Таблица генетического кода, показывающая соответствие трехбуквенных кодонов в ДНК аминокислотам
В 2010 году команда Крейга Вентера заявила о создании первого организма с полностью синтетическим геномом. Организм представлял собой штамм бактерии Mycoplasma mycoides, который был получен путем введения в клетку-реципиента хромосомы, полностью синтезированной in vitro. Размер синтетической хромосомы составил чуть больше одного миллиона пар оснований. После этого эксперимента биологи смогли также синтезировать и собрать несколько искусственных дрожжевых хромосом, сопоставимых по размеру.
Коллектив ученых из лаборатории молекулярной биологии Кембриджа под руководством Томаса Эллиота и Джейсона Чина создал штамм кишечной палочки с синтезированной de novo хромосомой размером 4 миллиона пар оснований. Собрать такой огромный геном удалось только по частям прямо в клетках «хозяина», благодаря способности E. coli рекомбинировать ДНК с высокой эффективностью.
Для синтеза и сборки фрагментов геном штамма кишечной палочки MDS42 разбили на 37 перекрывающихся фрагментов, каждый размером чуть больше 100 тысяч пар оснований. Каждый такой кусок собрали из меньших кусочков при помощи рекомбинации в дрожжевых клетках (так же, как это было сделано в работе Вентера). Полученные синтетические фрагменты ввели в составе плазмид в клетки MDS42 и при помощи модифицированного метода REXER, основанного на гомологичной рекомбинации, заставили клетки хозяина обменять фрагмент своей хромосомы на фрагмент синтетической.
Схема последовательной замены собственной хромосомы E.coli (серым) на синтетическую (розовым)
После нескольких раундов рекомбинации ученые получили семь различных штаммов, содержащих семь больших частей синтетической хромосомы в составе своего генома. Затем в клетках индуцировали процесс конъюгации — аналог полового процесса у бактерий, в ходе которого возможен обмен генетической информацией. Это позволило исследователям последовательно скомбинировать отдельные фрагменты синтетической хромосомы в одном штамме. Полученный «синтетический» штамм E. coli получил название Syn61.
По задумке авторов его главной отличительной особенностью стал нестандартный генетический код. В ходе синтеза частей генома кодоны TCG и TCA, кодирующие аминокислоту серин, были исключены из генетического кода и заменены на синонимичные кодоны, также кодирующие серин. Это стало возможным благодаря вырожденности генетического кода — так как каждой аминокислоте соответствует кодон из трех букв, а букв всего четыре, 20 аминокислот кодируются при помощи 64 кодонов (сюда также входят три стоп-кодона, обозначающие конец белковой последовательности). Для серина при этом отводится целых шесть кодонов.
Схема замены кодонов в геноме Syn61
Кроме лишних кодонов серина, ученые удалили из кода кишечной палочки один из стоп-кодонов — все кодоны TAG были заменены на TAA. Генетический код организма Syn61, таким образом, состоит из 61 кодона вместо 64.
Всего в синтетической хромосоме оказалось заменено 18214 кодонов. Ранее исследователям удавалось исключить один из стоп-кодонов из кода при помощи рекомбинации с мутантными олигонуклеотидами, но для этого пришлось поменять максимум 321 кодон.
Тесты показали, что штамм Syn61 вполне нормально себя чувствует и растет всего лишь в 1,6 раза медленнее, чем предковый штамм MDS42. Как выяснилось, изменение генетического кода сделало некоторые гены ненужными, например ген одной из тРНК для серина, который ранее был жизненно важен для кишечной палочки.
Как поясняют исследователи, данная работа демонстрирует принципиальную возможность существования жизни с урезанным генетическим кодом. Кроме того, отработанные технологии сборки генома приближают ученых к созданию организмов с заданными свойствами, например, включающих в состав белков не встречающиеся в природе аминокислоты. Мы уже рассказывали о подобных экспериментах, где бактерий заставляли синтезировать новые белки путем, наоборот, расширения генетического кода при помощи введения в генетический алфавит новых букв.
Источник: N+1
