Створені ГМО, нездатні жити без синтетичних амінокислот

Створені ГМО, нездатні жити без синтетичних амінокислот

Дві команди американських біологів створили кілька штамів генетично модифікованих бактерій, життя яких можливе лише в присутності синтетичних амінокислот, які не зустрічаються в природі. Отримані результати відкривають шлях до створення синтетичних організмів, генетично повністю ізольованих від звичайних живих істот та з принципово новими властивостями, недосяжними в рамках природного еволюційного процесу.

Вражаюче розмаїття життя наводить на думку про безмежні можливості біологічної еволюції. Це враження оманливе: насправді можливості еволюції зовсім не безмежні — принаймні доти, поки на допомогу їй не прийдуть нею ж створені розумні істоти. Швидше за все, існує величезна кількість життєздатних «проектів» живих організмів, які не можуть бути реалізовані просто тому, що до них неможливо прийти природним еволюційним шляхом, тобто шляхом послідовного накопичення невеликих змін або перекомбінування наявних блоків з обов'язковим збереженням життєздатності на всіх проміжних етапах.

Одним з яскравих проявів обмежених можливостей еволюції є консерватизм (сталість) генетичного коду — системи відповідностей між триплетами нуклеотидів (кодонами) та амінокислотами, з яких будуються закодовані в генах білки. Консерватизм властивий і стандартному набору з 20 амінокислот, з яких складаються майже всі білки живих організмів. Правда, існує цілий ряд невеликих варіацій стандартного генетичного коду, а зрідка до складу білків входять «неканонічні» амінокислоти. Але ці винятки — з розряду тих, що лише підтверджують правило.

Змінити генетичний код просто. Включити до складу білків нову амінокислоту технічно теж неважко. Проблема в тому, що така мутація вплине відразу на безліч властивостей організму, адже зміняться амінокислотні послідовності багатьох (можливо, навіть усіх) білків у клітині. Це майже обов'язково призведе до зниження пристосованості, а значить, мутація буде відбракована відбором. Саме тому генетичний код і набір амінокислот майже однакові у всіх живих істот. Еволюція, ймовірно, не в силах радикально змінити ці параметри. Втім, подолання цього обмеження могло б піти на користь живим істотам. Наприклад, радикальна зміна генетичного коду надійно захистила б організм відразу від всіх вірусів на світі, а включення до складу білків нових амінокислот дозволило б створювати білки з принципово новими, небаченими властивостями.

Втім, не варто недооцінювати творчі здібності еволюції. Те, чого вона не змогла досягти прямим шляхом, вона досягла обхідним, створивши розумного примата, який підняв генно-інженерні технології (вперше розроблені ще вірусами і бактеріями) на небачену досі висоту.

У 2013 році біологи Фаррен Айзекс (Farren J. Isaacs) з Єльського університету, Джордж Черч (George M. Church) з Гарвардського університету та їх колеги повідомили про створення бактерій кишкової палички Escherichia coli з кодонами, які кодують нестандартну амінокислоту. 21 січня 2015 року на сайті журналу Nature з'явились нові статті двох дослідницьких колективів. Обидві команди, взявши за основу створений раніше «перекодований» штам, зробили наступний логічний крок: вони виготовили мікробів, у яких синтетичні амінокислоти входять до складу життєво необхідних білків. Такі мікроби здатні жити лише в присутності штучних амінокислот, які не зустрічаються в природі. Це не дозволяє їм вийти з-під контролю людини і розмножитись в природних середовищах існування. Тим самим підвищується рівень безпеки генетично модифікованих організмів (ГМО), які в останні роки знаходять все більш широке застосування в сільському господарстві, медицині, біоенергетиці та інших галузях.

Методи і підходи, використані двома авторськими колективами, подібні, хоча й відрізняються технічними деталями. Команда Черча вставляла кодони, які кодують нестандартну амінокислоту, в шість життєво необхідних генів, причому в ці гени додатково вносились «компенсуючі» мутації, завдяки яким просторова структура білка не порушувалась. Група Айзекса працювала з більш широким колом генів без внесення компенсуючих мутацій (знайшлися гени, в яких введення нестандартної амінокислоти й без того не порушувало роботу білка).

В результаті вдалось отримати кілька штамів, здатних рости лише в присутності синтетичної амінокислоти. Без неї синтез білка, в ген якого був вставлений новий кодон, застопорюється на цьому кодоні, клітина не отримує потрібної кількості життєво важливого білка і бактерія гине.

Залежність генно-модифікованих бактерій від штучних речовин дозволяє контролювати розмноження ГМО ефективніше, ніж попередні методи. Наприклад, якщо просто позбавити бактерію здатності до синтезу якоїсь складної речовини, необхідної для життя, то вона може отримати відсутню речовину з лізованих (зруйнованих) клітин інших, немодифікованих бактерій, присутніх в екосистемі. Такі ГМО успішно виживають в середовищі, яке містить лізат клітин E. coli. Новим мікробам, залежним від штучних амінокислот, це не допомагає, адже необхідних їм речовин немає в жодному нормальному живому організмі.

Однак виведення таких бактерій — синтетичних ауксотрофів, залежних від штучних поживних речовин, — лише перший крок до заявленої мети. Адже бактерії вміють мутувати та обмінюватись генами. Це дає їм шанс позбутись нав'язаної залежності від синтетичної амінокислоти.

Перші штами синтетичних ауксотрофів, створені авторами, мали лише по одному кодону, вставленому в той чи інший важливий ген. Такі бактерії дійсно іноді породжують мутантів — «втікачів», у яких залежність від нестандартної амінокислоти зникає і вони знову отримують здатність рости в звичайному поживному середовищі. До появи втікачів призводить і сумісне проживання зі звичайними кишковими паличками, які вміють передавати іншим клітинам свою ДНК за допомогою кон'югації.

Секвенування геномів втікачів дозволило авторам виявити способи «втечі» та розробити методи боротьби з ними. Піддослідні мікроби позбувались від залежності по-різному. У одних фіксувались точкові мутації в новому кодоні, що вело до заміни нестандартної амінокислоти на стандартну. Це було типово для штамів, отриманих групою Айзекса; бактерії команди Черча були частково захищені від такого повороту подій компенсуючими мутаціями. Хтось виживав через мутаційну поломку системи знищення «бракованих» білків, в результаті чого дефектні білки, синтезовані у відсутності необхідної синтетичної амінокислоти, не знищувались і якось справлялись зі своєю функцією.

Експерименти, проведені обома колективами, показали, що найвірнішим і найбільш універсальним способом знизити частоту втеч до зникаюче малих величин є просте збільшення числа життєво важливих генів, в які вставлено новий кодон. Якщо, наприклад, у бактерій з одним таким геном один «утікач» припадає на десять мільйонів клітин (приблизно такі цифри були отримані в експериментах), то додавання другого гена може знизити частоту втеч до одного випадку на десятки мільярдів. Обом командам вдалось отримати штами з двома або трьома генами зі зміненим кодоном, у яких частота втеч була настільки низькою, що знаходилась за порогом чутливості використаних методів. Звичайно, якщо в трильйонній популяції бактерій за 20 днів не з'явилось жодного втікача, це ще не означає, що вони не з'являться в секстильйонній популяції за 20 років. Але ж мова поки лише про два-три гени. Якщо довести їх число, скажімо, до сотні, то ймовірність втечі буде практично повністю виключена.

Є й інші способи зменшити цю ймовірність. Наприклад, гени з заміненим кодоном повинні бути розкидані по геному, а не сконцентровані в одній ділянці хромосоми. Тим самим можна запобігти заміні модифікованої ділянки в ході горизонтального переносу генів. Це було перевірено в експериментах з сумісного культивування «перекодованих» мікробів зі звичайними E. coli, здатними передавати іншим бактеріям свою ДНК. Якщо модифіковані гени розкидані по всьому геному, то для того, щоб замінити їх всі на «початкові версії», мікробу доведеться позичити дуже багато чужої ДНК, що пов'язано з великим ризиком. Адже на нього чекають неприємності, якщо він отримає версію важливого гена, в якій новий кодон використовується звичайним чином, тобто в якості стоп-кодону (а при масованому запозиченні чужих генів це обов'язково рано чи пізно станеться).

Ще одна хороша ідея — вставляти кодони, які кодують синтетичну амінокислоту, у функціонально важливі ділянки генів, які кодують активний центр ферменту або ті частини білкової молекули, які необхідні для взаємодії з іншими білками. Щоб білок при цьому зберіг функціональність, в нього необхідно вносити компенсуючі мутації, тобто замінювати деякі інші амінокислоти, які взаємодіятимуть з синтетичною. Чим більше таких компенсуючих мутацій, тим менше шансів, що зворотна заміна синтетичної амінокислоти на стандартну буде сумісною з життям.

Не за горами той день, коли розвиток технологій дозволить перекодувати не один, а відразу декілька кодонів стандартного генетичного коду. Тоді можна буде зробити ГМО, які залежатимуть не від однієї, а від цілого набору амінокислот, які не зустрічаються в природі. Такі штучні організми будуть повністю генетично ізольованими від звичайних живих істот. Будь-який генетичний обмін між ними стане неможливим. Їх не зачепить жоден існуючий вірус, але й вони нас ніколи нічим не заразять. І вони зможуть жити і розмножуватись лише там, де ми їм дозволимо.

X

Вхід

Завантажую...