Вчені створили напівсинтетичні форму життя

Міжнародній групі американських, французьких і китайських вчених вдалося створити напівсинтетичні форму життя. Незважаючи на те, що раніше вже робилися спроби отримати бактерії з видозміненій ДНК, розмноження мікроорганізмів проходило погано. Мікроорганізмам потрібні особливі умови вирощування, і вони в кінцевому підсумку позбувалися від модифікацій, які в них впроваджувалися. У своїх нових дослідженнях вченим вдалося зважся всі ці проблеми і отримати істота, кардинально відрізняється від усіх видом природного життя, що існують на планеті.

Як відомо, ДНК живих організмів складається з нуклеотидів чотирьох видів, які містять аденін, гуанін, Тимин і цитозин. Окремі хромосоми утворюються з ланцюжків з безлічі нуклеотидів (від десятків до сотень мільярдів). Гени, які знаходяться в хромосомах, є по суті довгими нуклеотидними послідовностями, що містять в собі зашифровані амінокислотні ланцюжки білків. Кожна комбінація з трьох наступних один за одним нуклеотидів відповідає якийсь із двадцяти амінокислот. Іншими словами, живі організми використовують генетичний код, що складається з трьох букв, в основі якого лежить чотирибуквений алфавіт (C, G, A, T).

У тому випадку, якщо клітини організму потрібно будь-якої поліпептид (білок), включається ген, який його кодує. До цього гену кріпиться фермент РНК-полімераза, фермент, який в ході біосинтезу рухається уздовж ланцюжка нуклеотидів і створює копію послідовності у вигляді молекули, яка називається інформаційної РНК. РНК схожа з ДНК, з тією лише відмінністю, що в ній замість Тимина міститься урацил. Інформаційна НК виходить за межі ядра клітини і рухається в рибосомам, і там під час біосинтезу вона є свого роду інструкцією по створенню амінокислотноїпослідовності білка.

В ході досліджень вчені вирішили внести зміни в ДНК-алфавіт кишкової палички, внісши в нього дві додаткові літери. ДНК всіх живих організмів, як відомо, подвійна, тобто, утворена двома послідовностями, спареними один з одним взаємодоповнюючими зв`язками. Ці зв`язки формуються між початком А-нуклеотиду в одній послідовності і початком Т-нуклеотиду в другій ланцюжку. Такі ж зв`язки присутні між C і Gцепочкамі. З цієї причини нові синтетичні нуклеотиди також повинні вміти з`єднуватися, взаимодополняя один одного. Для досліджень були обрані d5SICS і dNaM.
Одну пару синтетичних нуклеотидів вбудували в кільцеву молекулу ДНК, що складається з двох ланцюжків - плазміду, яка здатна репродукуватися окремо від усього генома мікроорганізму. Ці синтетичні нуклеотиди були вставлені на місце двох взаємодоповнюючих один одного нуклеотидів А і Т, які перебували в складі ланцюга генів, які здійснюють перетворення цукру лактози, і не кодують ланцюжків ДНК, пов`язаних з ними. Синтетичні нуклеотиди не входили в ту частину, яку полімераза відтворює в іРНК.

Відео: Вчені створили штучну форму фотосинтезу

Вчені вирішили синтетичні нуклеотиди вставляти поруч з геном, а не в нього. Все тому, що змінити ген в працездатному стані подібним чином досить складно. Для цього необхідно прикріпити отримані кодони до якої-небудь амінокислоті. У свою чергу, для цього необхідно навчити клітку виробляти різні види транспортних РНК, які змогли б дізнаватися ці кодони.

Транспортні РНК на одному з кінців несуть певну амінокислоту, в рибосомах підходять в інформаційній РНК і звіряють з кодоном триплет нуклеотидів на іншому кінці. У разі збігу відбувається відкриття амінокислоти і вбудовування її в білок. У тому випадку, якщо жодної відповідної РНК не виявлено, синтез білка не проводитиметься, а це, в свою чергу, може мати негативний вплив на життєздатність клітини. Саме з цієї причини, дослідникам, після вбудовування в гени синтетичних нуклеотидів, необхідно було б створити нові гени, які кодували б нові транспортні РНК, що розпізнають штучні кодони і здатні приєднувати правильну амінокислоту до поліпептид. У той же час, завдання вчених полягала лише в тому, щоб переконатися: плазмида в штучними нуклеотидами зможе розмножуватися і передаватися породженим організмам.

Плазміду, що отримала позначення pINF, внесли в молекулу кишкової палички. Але для її дублювання необхідна наявність безлічі нуклеотидів всередині клітини мікроорганізму. З цією метою в кишкову паличку помістили ще одну плазмиду - pCDF-1b, що містить ген PtNTT2 діатомової водорості, що кодує білок NTT, які переносить нуклеотиди в клітку з живильного середовища.

Потрібно відзначити, що перед ученими виникли певні труднощі. Основна проблема полягала в тому, що білки водорості надавали токсичний вплив на клітину кишкової палички в силу того, що містили фрагмент амінокислотної ланцюжка, що несе сигнальну функцію. Вона допомагає білку займати в клітці водорості правильне положення, потім ця амінокислотна послідовність видаляється. Кишкова паличка цей фрагмент видаляти не може, тому вчені були змушені їй допомогти. Їм вдалося видалити з NTT перші 65 амінокислот, що в значній мірі зменшило токсичність, але в той же час призвело до зменшення швидкості транспортування нуклеотидів.

Відео: Навіщо вчені створили гібрид свині і людини, а потім його умертвили Наука Наука і техн

Ще одна проблема полягала в тому, щоб штучні нуклеотиди зберігалися в плазмидах тривалий час, і не замінювалися при дублюванні ДНК. Збереження їх, як було встановлено, залежала від нуклеотидів, їх оточували. Для того, щоб це встановити, дослідникам знадобилося проаналізувати різні комбінації, які були вбудовані в 16 плазмід. А для визначення того, випав штучний нуклеотид з ланцюжка, була використана технологія CRISPR / Cas9.

Дана технологія є молекулярним механізмом, який існує всередині бактерій і який дозволяє їм протистояти бактеріофагів. Дана технологія, іншими словами, є імунітетом проти вірусів.

CRISPR є особливими ділянками ДНК, в яких містяться невеликі фрагменти вірусів ДНК, колись які заразили предків сучасних бактерій, але переможених їх внутрішньої захистом.

Після проникнення бактеріофага всередину бактерії, дані фрагменти використовуються як шаблон для реплікації молекул crРНК. Формується велика кількість різних послідовностей РНК, які зв`язуються з білком Cas9. Основна мета цього білка полягає в розрізуванні ДНК-вірусу. Він може це зробити після того, коли crРНК відшукає фрагмент вірусної ДНК, комплементарний їй.

У тому випадку, якщо використовувати ланцюжок РНК, схожу з певним фрагментом плазміди, замість crРНК, то білок розріже і плазмиду. Однак, якщо в тому фрагменти будуть штучні нуклеотиди, Cas9 не спрацює. Іншими словами, CRISPR допомагає виділити стійкі до небажаних мутацій плазміди. Як було встановлено в ході досліджень, втрати штучних нуклеотидів у 13 плазмід з 16 були незначними.

Дослідники тим самим створили організм зі сталими змінами в ДНК, який може зберігати їх дуже довго.

Відео: Вчені створили роборукою, яка підпорядковується силі думки

Незважаючи на те, що в геномі напівсинтетичній форми життя є всього два синтетичних нуклеотиду, що не входять до складу кодонів і не беруть участь в кодуванні амінокислот, вона є першим стійким організмом з ДНК-алфавітом, що складається з шести букв.

Ймовірно, з часом вчені зможуть використовувати нове відкриття для синтезування білків, створивши тим самим штучний повноцінний генетичний код.