Создана бактерия с минимальным генетическим кодом: подробности эксперимента
Наука сделала очередной шаг вперёд в области генной инженерии, создав бактерии, которые производят белки совершенно иначе, чем это происходит в природе.
Всё живое на Земле — от человека до растений, животных и грибов — использует универсальный генетический код, который, несмотря на небольшие различия, остаётся практически неизменным.
Этот код позволяет клеткам преобразовывать информацию, заложенную в ДНК, в белки, необходимые для жизни. Однако одной из его особенностей является избыточность: одна и та же аминокислота может быть закодирована несколькими способами. Долгое время исследователи пытались понять, зачем нужна такая избыточность и не является ли она просто результатом эволюционных случайностей.
Благодаря современным достижениям в области генной инженерии учёные перешли от теоретических споров к практическим экспериментам. За последние годы им удалось создать микроорганизмы с урезанным набором генов, удалив часть избыточных элементов. В новом исследовании, опубликованном в одном из научных журналов, описан микроб с максимально оптимизированным генетическим кодом, который доказывает, что жизнь возможна даже без полного набора генетических инструкций.
Исследователи отметили, что созданные ими модифицированные бактерии способны функционировать с сокращённым кодом, что подтверждает возможность существования жизни в условиях, отличных от общепринятых.
Генетический код состоит из четырёх молекулярных оснований — аденина, тимина, гуанина и цитозина, которые обозначаются буквами A, T, C и G. Эти основания объединяются в последовательности, называемые кодонами, каждая из которых состоит из трёх элементов и отвечает за определённую аминокислоту. Всего существует 64 кодона, из которых 61 кодирует 20 аминокислот, а три сигнализируют об окончании гена. При этом многие аминокислоты могут быть закодированы несколькими кодонами, что и создаёт избыточность.
Для проведения эксперимента учёные выбрали кишечную палочку — бактерию, которая уже более ста лет служит объектом исследований. Они решили удалить часть избыточных кодонов, чтобы проверить, сможет ли микроорганизм выжить с урезанным кодом. Например, количество кодонов, кодирующих аминокислоту серин, было сокращено с шести до двух. Для этого потребовалось полностью перестроить геном бактерии, который состоит из примерно четырёх миллионов оснований, внося изменения в тысячи участков.
Ранее исследователям уже удалось создать версию кишечной палочки с 61 кодоном, названную Syn61, которая успешно функционировала без трёх кодонов. Этот успех вдохновил их на дальнейшие эксперименты, в результате которых была создана новая версия бактерии — Syn57, использующая всего 57 кодонов.
Для этого пришлось изменить более 100 000 кодонов, что стало настоящим инженерным подвигом. В процессе работы учёные столкнулись с множеством трудностей, таких как перекрывающиеся гены, где изменение одного кодона могло нарушить работу другого. Чтобы решить эту проблему, они разделили такие гены на отдельные участки ДНК.
Несмотря на сложности, исследователи добились успеха, создав Syn57. Однако эта бактерия оказалась значительно слабее обычной кишечной палочки: если последней требуется около часа, чтобы удвоить свою популяцию, то Syn57 на это нужно четыре часа. Тем не менее учёные продолжают работать над улучшением её характеристик, чтобы в будущем использовать такие микроорганизмы для выполнения полезных задач, например, для производства новых лекарств или материалов.
Создание Syn57 открывает новые перспективы не только в практическом применении, но и в фундаментальной науке.
Исследователи считают, что такие эксперименты помогают понять, насколько гибкой может быть жизнь и каковы её пределы. Кроме того, подобные микроорганизмы могут быть использованы для изучения экологических рисков, связанных с генетически модифицированными организмами. Например, если модифицированные бактерии используют отличный от природного генетический код, их гены не смогут быть прочитаны другими микроорганизмами, что предотвратит нежелательное распространение генетической информации в окружающей среде.
Результаты исследования также подтверждают одну из гипотез, выдвинутых ещё в прошлом веке, о том, что избыточность генетического кода может быть результатом случайных эволюционных процессов, а не иметь какого-то фундаментального значения. Учёные полагают, что успех Syn57 доказывает, что жизнь не обязательно зависит от универсального набора из 64 кодонов, что открывает новые горизонты для изучения биологии.
Уточнения
Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования организмов.