Kansainvälinen tutkijaryhmä Yhdysvalloista, Ranskasta ja Kiinasta on luonut puolisynteettisen elämänmuodon. Vaikka yrityksiä saada bakteereja modifioidulla DNA: lla on jo tehty, mikro-organismit lisääntyivät huonosti, vaativat erityisiä kasvuolosuhteita ja lopulta pääsivät eroon niihin tehdyistä modifikaatioista. "Lenta.ru" kertoo uudesta teoksesta, jossa tutkijat onnistuivat ratkaisemaan nämä ongelmat saatuaan olennon, joka eroaa radikaalisti kaikesta maapallon luonnollisesta elämästä.
Ei niin kauan sitten, planeettamme kaikkien elävien organismien DNA koostui neljästä nukleotidityypistä, jotka sisälsivät adeniinia (A), tymiiniä (T) tai guaniinia (G) tai sytosiini ©. Kymmenien tai satojen miljoonien nukleotidien merkkijonot muodostavat erilliset kromosomit. Kromosomeista löytyvät geenit ovat olennaisesti pitkiä nukleotidisekvenssejä, joihin proteiinien aminohapposekvenssit koodataan. Kolmen peräkkäisen nukleotidin (kodoni tai tripletti) yhdistelmä vastaa yhtä 20 aminohaposta. Siksi elämä käyttää kolmikirjaiminen geneettinen koodi (ATG, CGC, ja niin edelleen) perustuu nelikirjaimisiin aakkosiin (A, C, T, G).
Kun organismin solu tarvitsee proteiinia (polypeptidiä), sitä koodaava geeni kytketään päälle. Jälkimmäinen on kiinnitetty erityiseen entsyymiin, nimeltään RNA-polymeraasi, joka transkriptioprosessin aikana alkaa seurata nukleotidien sekvenssiä ja luoda siitä kopion molekyylin muodossa, jota kutsutaan messenger-RNA: ksi (mRNA). RNA on hyvin samanlainen kuin DNA, mutta tymiinin sijasta se sisältää urasiilia (U). Sen jälkeen mRNA lähtee solun ytimestä ja ohjataan ribosomeihin, missä se toimii translaatioprosessin aikana reseptinä proteiinin aminohappoketjun luomiseksi.
Tutkijat päättivät muuttaa Escherichia colin geneettistä koodia lisäämällä siihen kaksi uutta "kirjainta". Tosiasia on, että elävien organismien DNA on kaksinkertainen, toisin sanoen sen muodostaa kaksi ketjua, jotka ovat pariksi toistensa kanssa komplementaaristen sidosten avulla. Tällaisia sidoksia muodostuu A-nukleotidin emäksen yhdestä juosteesta ja T-nukleotidin emäksen toisesta (samalla tavalla C: n ja G: n välillä). Siksi kahden uuden synteettisen nukleotidin on myös pystyttävä pariutumaan toisiinsa. Valinta laski dNaM: lle ja d5SICS: lle.
E. coli Escherichia coli
Kuva: Rocky Mountain Laboratories / NIAID / NIH
Yksi pari synteettisiä nukleotideja insertoitiin plasmidiin - kaksijuosteinen pyöreä DNA-molekyyli, joka kykenee lisääntymään erikseen muusta bakteerigenomista. Ne korvasivat parin komplementaarisen nukleotidin A ja T, jotka olivat osa laktoosioperonia - joukko geenejä, jotka metabolisoivat laktoosisokeria, ja niihin liittyvät ei-koodaavat DNA-sekvenssit. Synteettisiä nukleotideja ei sisällytetty alueelle, jonka polymeraasi kopioi mRNA: ssa.
Mainosvideo:
Miksi tutkijat päättivät olla lisäämättä synteettisiä nukleotideja suoraan geeniin, mutta sen viereen? Tosiasia on, että geenin muuttaminen tällä tavalla on hyvin vaikeaa, jotta se pysyy toiminnallisena. Loppujen lopuksi tätä varten sinun on sidottava saadut uudet kodonit mihin tahansa aminohappoon. Tätä varten on puolestaan tarpeen opettaa solu tuottamaan erityyppisiä kuljetus-RNA: ta (tRNA), joka tunnistaa nämä kodonit.
TRNA-molekyylit suorittavat seuraavan tehtävän. Ne, kuten kuorma-autot, kuljettavat tietyn aminohapon toisessa päässä, lähestyvät ribosomien mRNA: ta ja puolestaan alkavat sovittaa toisessa päässä olevien nukleotidien tripletin kodoniin. Jos ne sopivat yhteen, aminohappo riisutaan ja sisällytetään proteiiniin. Jos sopivaa tRNA: ta ei kuitenkaan ole, proteiinia ei syntetisoida, mikä voi vaikuttaa negatiivisesti solujen elinkykyyn. Siksi tuomalla synteettisiä nukleotideja geeneihin tutkijoiden olisi luotava geenejä, jotka koodaavat uusia tRNA: ita, jotka tunnistavat keinotekoiset kodonit ja kiinnittävät oikean aminohapon polypeptidiin. Tutkijoiden tehtävä oli kuitenkin yksinkertaisempi. Heidän oli varmistettava, että synteettisten nukleotidien sisältävä plasmidi lisääntyy onnistuneesti ja siirtyy tytärorganismeille.
Plasmidit, joita käytetään Escherichia colin transformointiin
Kuva: Denis A. Malyshev / Kirandeep Dhami / Thomas Lavergne / Tingjian Chen / Nan Dai / Jeremy M. Foster / Ivan R. Correa / Floyd E. Romesberg / Luonto / Kemian laitos / The Scripps Research Institute
Tämä plasmidi, nimeltään pINF, vietiin E. coliin. Sen kopioimiseksi on kuitenkin välttämätöntä, että bakteerisolun sisällä on monia nukleotideja. Tätä tarkoitusta varten toinen plasmidi, pCDF-1b, insertoitiin E. coliin. Se sisälsi geenin piimaa Phaeodactylum tricornutum PtNTT2, joka koodaa NTT-proteiinia, joka kuljettaa nukleotidit ravintoalustasta soluun.
Tutkijoilla oli kuitenkin lukuisia vaikeuksia. Ensinnäkin Phaeodactylum tricornutumin proteiineilla on myrkyllinen vaikutus E. coli -soluun. Kaikki johtuu siitä, että niissä on aminohapposekvenssin fragmentti, jolla on signalointitoiminto. Hänen ansiostaan proteiini vie oikean sijan leväsolussa, minkä jälkeen sekvenssi poistetaan. E. coli ei pysty poistamaan tätä fragmenttia, joten tutkijat auttoivat häntä. He pystyivät poistamaan ensimmäiset 65 aminohappoa NTT: stä. Tämä vähensi merkittävästi toksisuutta, vaikka se vähensi myös nukleotidien kulkeutumisnopeutta.
Toinen ongelma oli, että synteettisiä nukleotideja pidettiin plasmidissa pitkään, eikä niitä korvattu, kun DNA kopioitiin. Kuten kävi ilmi, heidän turvallisuutensa riippui siitä, mitkä nukleotidit ympäröivät heitä. Tämän selvittämiseksi tutkijat analysoivat erilaisia yhdistelmiä upotettuna 16 plasmidiin. Ymmärtääkseen, onko synteettinen nukleotidi pudonnut sekvenssistä, tutkijat käyttivät CRISPR / Cas9-tekniikkaa.
CRISPR / Cas9
Kuva: Steve Dixon / Feng Zhang / MIT
CRISPR / Cas9 on molekyylimekanismi, joka esiintyy bakteerien sisällä ja antaa niiden taistella bakteriofageja vastaan. Toisin sanoen tämä tekniikka edustaa immuniteettia virusinfektioita vastaan. CRISPR on erityinen pala DNA: ta. Ne sisältävät lyhyitä fragmentteja DNA-viruksista, jotka kerran tartuttivat nykypäivän bakteerien esi-isät, mutta hävittivät heidän sisäisen puolustuksensa.
Kun bakteriofaagi pääsee bakteereihin, näitä fragmentteja käytetään templaattina molekyylien synteesissä, jota kutsutaan crRNA: ksi. Muodostuu monia erilaisia RNA-ketjuja, jotka sitoutuvat Cas9-proteiiniin, jonka tehtävänä on leikata viruksen DNA. Hän voi tehdä tämän vasta sen jälkeen, kun crRNA löytää täydentävän fragmentin virus-DNA: sta.
Jos crRNA: n sijaan käytetään RNA-sekvenssiä, joka on komplementaarinen tietylle plasmidin fragmentille, niin Cas9 leikkaa myös plasmidin. Mutta jos siinä fragmentissa on synteettisiä nukleotideja, proteiini ei toimi. Siten CRISPR: ää käyttämällä on mahdollista eristää ne plasmidit, jotka ovat resistenttejä ei-toivotuille mutaatioille. Kävi ilmi, että 13: ssa 16 plasmidista synteettisten nukleotidien menetys oli merkityksetöntä.
Siksi tutkijat onnistuivat luomaan organismin, jolla on perustavanlaatuisia muutoksia DNA: ssa, joka pystyy pitämään ne itsessään loputtomiin.
Vaikka puolisynteettisen elämänmuodon genomissa on vain kaksi luonnotonta nukleotidia, joita ei löydy kodoneista eivätkä osallistu aminohappojen koodaukseen, se on ensimmäinen vastustuskykyinen organismi, jonka DNA-aakkoset koostuvat kuudesta kirjaimesta. Tulevaisuudessa tutkijat pystyvät todennäköisesti käyttämään tätä innovaatiota proteiinien syntetisoimiseksi, mikä luo täysimittaisen keinotekoisen geneettisen koodin.
Alexander Enikeev