Произошел «терпеливый прорыв» в области биотехнологий: нововведение привело к формированию нового штамма бактерии E. coli, который устойчив к вирусам и способен к синтезу новых веществ.
ДНК практически всех живых существ на планете включает множество избыточных элементов. Ученые долго размышляли, есть ли у этого какое-то предназначение или это всего лишь следы эволюционных процессов.
ДНК и РНК состоят из кодонов — последовательностей из трех нуклеотидов, которые либо передают информацию о том, как создать белок с определенной аминокислотой (смысловые кодоны), либо сигнализируют клетке о необходимости остановиться во время синтеза белка (стоп-кодоны).
Существует 64 возможные комбинации кодонов, и эти комбинации универсальны для всех живых организмов. Однако некоторые из них избыточны. В клетке имеется всего 20 аминокислот, и 61 из 64 кодонов участвует в синтезе белка, а 3 используются как стоп-сигналы. С математической точки зрения избыточность велика и не имеет объяснений.
Некоторые исследования предполагают, что такая особенность может служить для предотвращения мутаций в ДНК. Однако сокращение генетического кода некоторых организмов путем удаления ненужных частей также может оказаться полезным. В 2019 году группа ученых сократила геном кишечной палочки до 61 кодона, внесла 18 214 изменений в геном. Новая версия была названа Syn61, и эта вирусоустойчивая бактерия используется для создания более эффективных лекарств и производства новых материалов.
Совсем недавно еще одной группе ученых, часть из которых работала над проектом Syn61, удалось еще больше сократить генетический код E. coli до 57 кодонов, создав версию Syn57. Результаты их работы были опубликованы в журнале Science.
Этот процесс потребовал значительных усилий. Команда внесла более 101 000 изменений в кодоны, разделив геном на 38 секций и тщательно заменяя избыточные кодоны синонимичными, которые выполняют аналогичные функции. Каждый раз ученым необходимо было удостовериться, что это не повлияет на жизнеспособность бактерий, прежде чем двигаться дальше.
Составление карт и фиксация результатов на каждом этапе синтеза часто играли ключевую роль для перехода к следующему этапу. Эксперименты обеспечили парадигму для интеграции своевременного картирования дефектов и исправления исходных конструкций в синтетические схемы, так что локальные дефекты выявлялись и устранялись на начальных стадиях синтеза. Менее очевидные, потенциально эпистатические или летальные дефекты также выявлялись и устранялись по мере их возникновения в процессе сборки.
В конечном итоге команда успешно сократила генетический код до 57 кодонов, заменив шесть смысловых кодонов и один стоп-кодон синонимичными элементами. Бактерии, полученные в результате, были жизнеспособны, но росли примерно в четыре раза медленнее по сравнению с исходным штаммом. Эту проблему авторы надеются в будущем решить. Новый штамм демонстрирует заметный профиль экспрессии генов, что указывает на широкие возможности для физиологической адаптации.
Среди потенциальных применений — создание устойчивых к вирусам организмов для биотехнологической и промышленной сферы, а также синтез белков и полимеров с новыми свойствами. В целом исследователи с оптимизмом оценивают потенциал данного открытия. Их работа также поднимает вопросы о существовании пределов для сокращения числа кодонов и создания организмов с совершенно новой биохимией.