5 Minutės
Radikaliai perrašytas genetinis kodas
Jungtinėje Karalystėje, Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology (MRC LMB) mokslininkų komanda sukūrė sintetinę Escherichia coli štamą, pavadintą Syn57, kurios genomas naudoja tik 57 iš 64 įprastinių kodonų, sudarančių gyvybės pagrindą Žemėje. Perkūrę bakterijos visą genominį „tekstą“, tyrėjai suspaudė kanoninį genetinį kodą ir parodė, kad gyva ląstelė gali veikti su žymiai sumažintu kodonų rinkiniu — tai tampa reikšmingu etapu genetinio kodo plėtrai, pramoninei biotechnologijai ir biosaugai.
Mokslinis kontekstas: kas yra kodonai ir kodėl jie kartojasi?
Genetinis kodas verčia DNR ir RNR sekas į baltymus naudodamas 64 kodonus, kiekvieną iš jų sudaro trys nukleotidai. Šie trijų raidžių kodonai nurodo ląstelei, kurią aminorūgštį pridėti baltymo sintezės metu ir kada nutraukti vertimą. Gamtoje naudojama tik 20 aminorūgščių baltymams statyti, todėl daugelis kodonų yra sinonimiški — skirtingi kodonai nurodo tą pačią aminorūgštį. Toks perteklinis kodonų panaudojimas išliko milijardus metų, bet jis taip pat suteikia inžinerinę galimybę: jei kai kuriuos kodonus galima pašalinti nepažeidžiant ląstelės funkcijų, tuos „laisvus“ kodonus galima perskirstyti naujoms biocheminėms funkcijoms.
Genomo perrašymas: kaip buvo sukurta Syn57
MRC LMB komanda sukūrė Syn57 pertvarkydama ir sintetindama bakterijos visą genomą. Jie sistemingai pašalino pasirinkti perteklinius kodonus ir juos pakeitė sinoniminiais pakaitalais. Konkrečiai, tyrėjai eliminavo keturis iš šešių serino kodonų, du iš keturių alanino kodonų ir vieną stop kodoną visame genome. Įgyvendinti 57 kodonų architektūrą reikėjo daugiau nei 101 000 tikslių nukleotidų pakeitimų.
Pertvarkos planavimas buvo atliekamas in silico ir vykdomas etapais: genomas buvo suskaidytas į ~100 kilobazinių fragmentų, kurie buvo sintetinami, išbandomi gyvuose šeimininkuose ir po to iteratyviai sujungiami. Toks žingsnis po žingsnio patvirtinimas sumažino mirtinų ar žalingų modifikacijų riziką. Dirbdami komanda susidūrė su neaiškumais ir kliūtimis, įprastomis didelio masto genomo inžinerijai, tačiau kruopštus tarpinų konstruktų testavimas leido surinkti galutinį visiškai sintetinį Syn57 štamą.
Techninis pasiekimas
Syn57 pranoko ankstesnį 61 kodono rekordą. Suspaudus kodus iki 57, tyrėjai atlaisvino septynis kodonus, palyginti su pilnu 64 kodonų rinkiniu. Tai padaro Syn57 plačiausiai perrašytu gyvu organizmu iki šiol ir įrodo, kad gyvybė toleruoja reikšmingą genetinio kodo kompresiją.
Pagrindinės išvados, taikymai ir pasekmės
Vienas iš tiesioginių mokslinių privalumų iš kodonų suspaudimo yra genetinio kodo išplėtimas. Turint mažiau naudojamų natyvių kodonų, tyrėjai gali priskirti atlaisvintus kodonus naujoms funkcijoms — pavyzdžiui, koduoti netradicines aminorūgštis arba sintetinius statybinius blokus. Tokios naujos liekanos gali būti panaudotos gaminti naujus polimerus, makrociklus ir dizaino baltymus su savybėmis, kurių gamtoje nėra. Tyrėjų žodžiais, Syn57 suteikia daugiau erdvės įvesti papildomas netradicines aminorūgštis, o tai gali atverti pažangias sintetines chemines ir terapines galimybes.
Kitas svarbus aspektas yra biosauga. Genomas, kuris išsiskiria iš kanoninio kodo, gali būti iš esmės „neįskaitomas" natūraliems virusams ir mobiliesiems genetiniams elementams, kurie remiasi šeimininko vertimo sistema. Toks vertimo nesuderinamumas gali suteikti vidinę atsparą infekcijoms ir sumažinti virusinės taršos riziką pramoninės fermentacijos procesuose. Recodavimas taip pat sukuria genetinio izoliavimo mechanizmą: horizontali genetinės medžiagos perdavimas iš Syn57 į laukinius mikrobus greičiausiai duotų neveikiančius baltymus, padedant išvengti inžinerinių genų sklaidos į natūralias ekosistemas.
Pramoniniai ir moksliniai privalumai
Pramoninei biotechnologijai Syn57 tipo štamai gali sumažinti ekonominę riziką, susijusią su didelio masto mikrobinės baltymų gamybos procesais, mažindami virusinių protrūkių tikimybę. Akademinėje srityje perrašytas pagrindas yra lanksčiaplatformė sintetinės biologijos inovacijoms diegti, kartu mažinant sąveiką su natūraliais organizmais.
Ekspertų įžvalga
Dr. Laura Chen, sintetinės biologijos tyrėja (fiktyvi), komentuoja: sumažinti genomą iki 57 kodonų yra dizaino ir surinkimo meistriškumo pavyzdys. Tai parodo, kad genomo sintezė gali perkelti gyvybę į iki šiol neeksploruotas sekų sritis. Praktikoje tai suteikia inžinieriams saugesnį ir valdomesnį pagrindą netipiniams cheminiams sprendimams taikyti. Etiniai ir ekologiniai padariniai vis tiek reikalauja atidaus reguliavimo, tačiau techninis koncepcijos įrodymas yra įtikinamas.
Ateities perspektyvos ir iššūkiai
Toliau tyrėjai vertins Syn57 ilgalaikį stabilumą, augimo rezultatus įvairiomis sąlygomis ir gebėjimą toleruoti netradicinių aminorūgščių įterpimą. Iššūkiai apima tinkamumo (fitness) palaikymą po plataus recodavimo, gamybos mastelio didinimą bei stiprių reguliavimo ir biosaugos sistemų sukūrimą, kurios spręstų aplinkos išleidimo, dvigubo panaudojimo rizikų ir visuomenės susirūpinimų klausimus.
Išvados
Syn57 reprezentuoja kertinį tašką genomo sintezėje ir genetinio kodo inžinerijoje: gyva bakterija, veikianti su vos 57 kodonais. Šis pasiekimas įrodo, kad gyvybė toleruoja reikšmingą kodonų kompresiją ir sukuria galimybes išplėsti biologiją naudojant netradicines aminorūgštis, pagerinti pramoninių bioprocesų atsparumą ir pridėti genetinio izoliavimo priemones. Tobulinant šias technologijas, būtinas atsargus valdymas, kad būtų pasiekti privalumai ir kartu suvaldytos etinės bei ekologinės rizikos.
Šaltinis: science
Komentarai