Полусинтетический организм с шестью основаниями ДНК теперь умеет размножаться

По крайней мере с момента появления последнего общего предка всего живого на Земле примерно 3,5 млрд лет назад генетическая информация хранится в четырёхбуквенном алфавите, который распространяется и считывается в виде двух базовых пар. Это четыре азотно-углеродно-водородные основания: аденин (А), тимин (Т), цитозин (С) и гуанин (G). В силу своего химического состава они связываются в базовые пары в строгом порядке, не допускающем вариантов: только A-T и С-G. В такой четверичной системе закодирована вся жизнь на Земле.

Главная цель синтетической биологии как науки — создание новых жизненных форм и новых функций у существующих организмов. Логичный путь к достижению этой цели — разработка полусинтетических организмов с расширенным набором базовых пар. Кроме четырёх оснований живой природы они могут содержать пару синтетических оснований, образующих третью искусственную базовую пару: X-Y.

Предыдущие попытки создать такой полусинтетический организм достигли апогея в 2016 году. Тогда генетикам удалось вывести штамм Escherichia coli, которая извлекала необходимые синтетические трифосфаты из окружающей среды и использовала их для репликации плазмид с синтетическим основанием. Это был первый случай репликации полусинтетической ДНК, но всё-таки такой полусинтетический организм был не совсем полноценным. Просто хранения и передачи синтетической базовой пары недостаточно. Чтобы нести какую-то пользу, она должна быть полностью функциональной, то есть способной в конечном итоге через РНК на экспрессию белков. И это будут белки, создать которые не способна ни одна естественная форма жизни в четверичной системе.

Теперь биологи из Научно-исследовательского института Скриппса пошли дальше. Они создали полноценную полусинтетическую бактерию (на фото вверху), которая осуществляет транскрипцию искусственной базовой пары в мРНК с двумя синтетическими кодонами и тРНК с родственными синтетическими антикодонами — и их эффективное декодирование в рибосоме для включения естественных или неканонических аминокислот во флюоресцентный белок «superfolder GFP» (sfGFP).

В данном случае sfGFP использовали просто для демонстрации, это традиционный маркер, который используется в генетических исследованиях. Теоретически бактерия может кодировать и другие аминокислоты.

«Это самое минимальное изменение, которое мы могли произвести в механизме работы природы — но это сделано впервые», — прокомментировал профессор Флойд Ромсберг (Floyd Romesberg) из Научно-исследовательского института Скриппса, ведущий автор научной работы.

В верхней части иллюстрации (a) показана химическая структура синтетической и натуральной базовых пар. Далее схематическое изображение генной кассеты, которая используется для выражения полусинтетических последовательностей. На графиках c и d, соответственно, флуоресценция и рост клеток, экспрессирующих sfGFP и полусинтетическую тРНК. Наконец, внизу слева вестерн-блот лизатов, полученных из последнего поколения этих клеток, показанных на крайних справа отметках графиков c и d, а справа демонстрируется относительное обилие аминокислот S, I/L и N из полусинтетических клеток

По словам учёных, полученные результаты свидетельствуют, что в каждом этапе сохранения и извлечения генетической информации могут принимать участие процессы, отличные от водородной связи. Оказалось, что отсутствие водородных связей в базовых парах на самом деле не особо беспокоит клетки: размножение полусинтетической ДНК всё равно происходит очень успешно.

Другими словами, распространённая вокруг нас жизнь, скорее всего, не единственно возможная с химической точки зрения. Просто так получилось, что всё живое на Земле образовано именно из такого единственного образца, но он вовсе не уникален.

Таким образом, полученный полусинтетический организм одновременно способен и кодировать дополнительную генетическую информацию, и извлекать её для использования. «Я бы не назвал это новой формой жизни, — говорит Ромсберг, — но это самое близкое к новой форме жизни, что кому-либо когда-нибудь удавалось сделать. Впервые клетка транслировала белок, используя нечто иное, кроме G, C, A или T».

Четыре природных основания ДНК способны кодировать всего лишь 20 аминокислот, поэтому все жизненные формы на Земле ограничены исключительно этими белками. С помощью третьей базовой пары — синтетической — организм способен кодировать до 152 новых аминокислот.

По мнению исследователей, этот организм следует принять в качестве платформы для создания новых жизненных форм и функций. Теоретически, новые жизненные формы, существующие в шестеричной системе, могут открыть совершенно новые возможности в медицине и фармакологии, помочь в создании новых лекарств.

На поиске новых лекарств с использованием синтетической базовой пары X и Y специализируется американская компания Synthorx, Inc.

Учёные отмечают, что созданная ими полусинтетическая форма жизни и все подобные ей не смогут жить вне стен лаборатории, потому что для воспроизводства оснований X и Y в растворе должны присутствовать соответствующие химикаты.

Научная статья опубликована 30 ноября 2017 года в журнале Nature (doi: 10.1038/nature24659, pdf).

По крайней мере с момента появления последнего общего предка всего живого на Земле примерно 3,5 млрд лет назад генетическая информация хранится в четырёхбуквенном алфавите, который распространяется и считывается в виде двух базовых пар. Это четыре азотно-углеродно-водородные основания: аденин (А), тимин (Т), цитозин (С) и гуанин (G). В силу своего химического состава они связываются в базовые пары в строгом порядке, не допускающем вариантов: только A-T и С-G. В такой четверичной системе закодирована вся жизнь на Земле.

Главная цель синтетической биологии как науки — создание новых жизненных форм и новых функций у существующих организмов. Логичный путь к достижению этой цели — разработка полусинтетических организмов с расширенным набором базовых пар. Кроме четырёх оснований живой природы они могут содержать пару синтетических оснований, образующих третью искусственную базовую пару: X-Y.

Предыдущие попытки создать такой полусинтетический организм достигли апогея в 2016 году. Тогда генетикам удалось вывести штамм Escherichia coli, которая извлекала необходимые синтетические трифосфаты из окружающей среды и использовала их для репликации плазмид с синтетическим основанием. Это был первый случай репликации полусинтетической ДНК, но всё-таки такой полусинтетический организм был не совсем полноценным. Просто хранения и передачи синтетической базовой пары недостаточно. Чтобы нести какую-то пользу, она должна быть полностью функциональной, то есть способной в конечном итоге через РНК на экспрессию белков. И это будут белки, создать которые не способна ни одна естественная форма жизни в четверичной системе.

Теперь биологи из Научно-исследовательского института Скриппса пошли дальше. Они создали полноценную полусинтетическую бактерию (на фото вверху), которая осуществляет транскрипцию искусственной базовой пары в мРНК с двумя синтетическими кодонами и тРНК с родственными синтетическими антикодонами — и их эффективное декодирование в рибосоме для включения естественных или неканонических аминокислот во флюоресцентный белок «superfolder GFP» (sfGFP).

В данном случае sfGFP использовали просто для демонстрации, это традиционный маркер, который используется в генетических исследованиях. Теоретически бактерия может кодировать и другие аминокислоты.

«Это самое минимальное изменение, которое мы могли произвести в механизме работы природы — но это сделано впервые», — прокомментировал профессор Флойд Ромсберг (Floyd Romesberg) из Научно-исследовательского института Скриппса, ведущий автор научной работы.

В верхней части иллюстрации (a) показана химическая структура синтетической и натуральной базовых пар. Далее схематическое изображение генной кассеты, которая используется для выражения полусинтетических последовательностей. На графиках c и d, соответственно, флуоресценция и рост клеток, экспрессирующих sfGFP и полусинтетическую тРНК. Наконец, внизу слева вестерн-блот лизатов, полученных из последнего поколения этих клеток, показанных на крайних справа отметках графиков c и d, а справа демонстрируется относительное обилие аминокислот S, I/L и N из полусинтетических клеток

По словам учёных, полученные результаты свидетельствуют, что в каждом этапе сохранения и извлечения генетической информации могут принимать участие процессы, отличные от водородной связи. Оказалось, что отсутствие водородных связей в базовых парах на самом деле не особо беспокоит клетки: размножение полусинтетической ДНК всё равно происходит очень успешно.

Другими словами, распространённая вокруг нас жизнь, скорее всего, не единственно возможная с химической точки зрения. Просто так получилось, что всё живое на Земле образовано именно из такого единственного образца, но он вовсе не уникален.

Таким образом, полученный полусинтетический организм одновременно способен и кодировать дополнительную генетическую информацию, и извлекать её для использования. «Я бы не назвал это новой формой жизни, — говорит Ромсберг, — но это самое близкое к новой форме жизни, что кому-либо когда-нибудь удавалось сделать. Впервые клетка транслировала белок, используя нечто иное, кроме G, C, A или T».

Четыре природных основания ДНК способны кодировать всего лишь 20 аминокислот, поэтому все жизненные формы на Земле ограничены исключительно этими белками. С помощью третьей базовой пары — синтетической — организм способен кодировать до 152 новых аминокислот.

По мнению исследователей, этот организм следует принять в качестве платформы для создания новых жизненных форм и функций. Теоретически, новые жизненные формы, существующие в шестеричной системе, могут открыть совершенно новые возможности в медицине и фармакологии, помочь в создании новых лекарств.

На поиске новых лекарств с использованием синтетической базовой пары X и Y специализируется американская компания Synthorx, Inc.

Учёные отмечают, что созданная ими полусинтетическая форма жизни и все подобные ей не смогут жить вне стен лаборатории, потому что для воспроизводства оснований X и Y в растворе должны присутствовать соответствующие химикаты.

Научная статья опубликована 30 ноября 2017 года в журнале Nature (doi: 10.1038/nature24659, pdf).