4 Minuten
Radikaliai pertvarkytas genetinis kodas
Jungtinės Karalystės Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology (MRC LMB) mokslininkai sukūrė sintetinį Escherichia coli štamą, pavadintą Syn57, kurio genomas naudoja tik 57 iš įprastinių 64 kodonų. Perrašydami bakterijos visą genomą, mokslininkai suspaudė kanoninį genetinį kodą ir parodė, kad gyva ląstelė gali funkcionuoti su ženkliai sumažintu kodonų rinkiniu — tai reikšmingas žingsnis, atveriantis naujas galimybes genetinio kodo plėtrai, pramoninei biotechnologijai ir biosaugai.
Mokslinis pagrindas: kas yra kodonai ir kodėl kai kurie jų pertekliniai?
Genetinis kodas verčia DNR ir RNR sekas į baltymus, naudodamas 64 kodonus — visus galimus trijų nukleotidų tripletus. Šie trijų raidžių kodonai nurodo ląstelei, kurią aminorūgštį pridėti sintezės metu ir kada nutraukti vertimą. Gamtiniai organizmai baltymams naudoja tik 20 aminorūgščių, todėl daugelis kodonų yra sinoniminiai — skirtingi kodonai nurodo tą pačią aminorūgštį. Tokia perteklinė sistema susiformavo per milijardus metų, bet taip pat suteikia dizaino galimybę: jei kai kuriuos kodonus galima pašalinti nepažeidžiant ląstelės funkcijų, laisvi kodonai gali būti priskirti naujoms biocheminėms funkcijoms.
Genomo perrašymas: kaip buvo sukurta Syn57
MRC LMB komanda sukūrė Syn57 visiškai perprojektuodama ir sintetindama bakterijos genomą. Jie sistemingai pašalino parinktus perteklinius kodonus ir pakeitė juos sinoniminėmis alternatyvomis. Konkrečiai, mokslininkai eliminojo keturis iš šešių serino kodonų, du iš keturių alanino kodonų ir vieną sustojimo (stop) kodoną visame genome. Pasiekti 57‑kodonų architektūrą prireikė daugiau nei 101 000 tikslingų nukleotidų pakeitimų.
Perrašymas buvo suplanuotas in silico ir vykdytas etapais: genomas buvo suskaidytas į maždaug 100 kilobazių fragmentus, kurie buvo sintezuoti, išbandyti gyvuose šeimininkuose ir iteratyviai sujungti. Toks žingsnis po žingsnio testavimas sumažino riziką, kad modifikacijos bus letalinės arba žalingos. Dirbdami komanda susidūrė su nežinomybe ir kliūtimis, būdingomis didelio masto genomo inžinerijai, tačiau kruopštus tarpinės medžiagos tikrinimas leido surinkti galutinį visiškai sintetinį Syn57 štamą.
Techninis pasiekimas
Syn57 pranoko ankstesnį 61‑kodonų genomą. Suspaudus kodą iki 57 kodonų, mokslininkai „atlaisvino“ septynis kodonus, palyginti su pilnu 64‑kodolų rinkiniu. Tai daro Syn57 labiausiai perrašytu gyvu organizmu iki šiol ir įrodo, kad gyvybė gali toleruoti reikšmingą genetinės informacijos suspaudimą.
Pagrindiniai atradimai, taikymai ir pasekmės
Vienas iš artimiausių mokslinių privalumų yra genetinio kodo plėtra. Turint mažiau gimtinių kodonų, tyrėjai gali pernaudoti atlaisvintus kodonus, kad priskirtų juos nekanoninėms aminorūgštims ar sintetinėms statybinėms medžiagoms. Tokios naujos liekanos leidžia kurti polimerus, makrociklus ir dizainerių baltymus su savybėmis, kurių gamtoje nėra. Komanda pažymi, kad Syn57 suteikia daugiau vietos įvesti papildomas nekanonines aminorūgštis, kas gali paskatinti naujoves sintetinėje chemijoje ir terapijoje.
Kita reikšminga pasekmė — biosauga. Genomas, kuris skiriasi nuo kanoninio kodo, gali būti praktiškai „nesuprantamas“ natūraliems virusams ir judriems genetiniams elementams, kurie remiasi šeimininko vertimo sistema. Toks vertiminis nesuderinamumas gali suteikti vidinį atsparumą infekcijoms ir sumažinti virusinės užteršties riziką pramoninėje fermentacijoje. Perkodavimas taip pat veikia kaip genetinio sulaikymo mechanizmas: horizontalus Syn57 genetinės medžiagos perdavimas laukinėms mikroorganizmų populiacijoms greičiausiai duotų neveiksmingus baltymus, padedant užkirsti kelią inžineruotų genų išplitimui natūralioje ekosistemoje.
Pramoniniai ir moksliniai pranašumai
Pramoninėje biotechnologijoje Syn57 tipo štamai gali sumažinti ekonominę riziką didelio masto mikrobų baltymų gamyboje, mažindami virusinių protrūkių tikimybę. Akademinėje aplinkoje perrašyta platforma yra lanksti terpė sintetinės biologijos inovacijų diegimui, tuo pačiu ribojant kryžminį sąveikavimą su natūraliais organizmais.
Eksperto įžvalga
Dr. Laura Chen (hipotetinė sintetinės biologijos tyrėja) pabrėžia, kad sumažinti genomą iki 57 kodonų reiškia didelį dizaino ir surinkimo meistriškumą. Tai demonstruoja, kad genomo sintezė gali perkelti gyvybę į iki šiol mažai ištirtas „sekų erdves“. Iš praktinės pusės tai suteikia inžinieriams saugesnį ir labiau kontroliuojamą pagrindą ne gamtinių cheminių sistemų diegimui. Etiniai ir ekologiniai klausimai vis tiek reikalauja atsargaus reguliavimo, tačiau techninis koncepcijos įrodymas yra reikšmingas.
Ateities perspektyvos ir iššūkiai
Toliau mokslininkai vertins Syn57 ilgalaikį stabilumą, augimo našumą įvairiomis sąlygomis ir jo pajėgumą toleruoti nekanoninių aminorūgščių įterpimą. Iššūkiai apima gyvybingumo išlaikymą po plačio masto recoding, gamybos mastelio didinimą ir tvirtų reglamentavimo bei biosaugos sistemų sukūrimą, sprendžiančių aplinkos išleidimo, dvigubo panaudojimo rizikų ir visuomenės nuogąstavimų klausimus.
Išvados
Syn57 yra kertinis pasiekimas genomo sintezėje ir genetinio kodo inžinerijoje: gyva bakterija, sukurta veikti tik su 57 kodonais. Šis pasiekimas įrodo, kad gyvybė toleruoja reikšmingą kodonų suspaudimą ir suteikia galimybių plėsti biologiją naudojant nekanonines aminorūgštis, didinti pramoninių bioprocesų atsparumą ir įdiegti genetinio sulaikymo mechanizmus. Tobulinant šias technologijas, reikės atsargaus valdymo, kad būtų maksimizuotos naudos ir suvaldomos etinės bei ekologinės rizikos.
Quelle: science
Kommentare