Et internationalt team af forskere fra USA, Frankrig og Kina har skabt en halvsyntetisk livsform. Selvom der allerede er gjort forsøg på at opnå bakterier med modificeret DNA, blev mikroorganismer mangedoblet, krævede særlige vækstbetingelser og til sidst slap af med de ændringer, der blev introduceret i dem. "Lenta.ru" taler om et nyt arbejde, hvor forskere har formået at løse disse problemer efter at have opnået en skabning, der er radikalt forskellig fra alt naturligt liv på Jorden.
For nylig bestod DNA'et fra alle levende organismer på vores planet af fire typer nukleotider indeholdende adenin (A) eller thymin (T) eller guanin (G) eller cytosin ©. Strenge på titusinder eller hundreder af millioner af nukleotider danner separate kromosomer. De gener, der findes på kromosomer, er i det væsentlige lange nukleotidsekvenser, hvor aminosyresekvenserne af proteiner er kodet. Kombinationen af tre på hinanden følgende nukleotider (codon eller triplet) svarer til en af 20 aminosyrer. Således bruger livet en genetisk kode på tre bogstaver (ATG, CGC og så videre) baseret på et alfabet med fire bogstaver (A, C, T, G).
Når en celle i en organisme har brug for et protein (polypeptid), tændes det gen, der koder for det. Sidstnævnte er bundet til et specielt enzym kaldet RNA-polymerase, som under transkriptionsprocessen begynder at følge sekvensen af nukleotider og skabe en kopi af den i form af et molekyle kaldet messenger RNA (mRNA). RNA ligner meget DNA, men i stedet for thymin indeholder det uracil (U). Derefter forlader mRNA cellekernen og går til ribosomerne, hvor det tjener som en opskrift til oprettelse af proteinets aminosyrekæde under translation.
Forskerne besluttede at ændre den genetiske kode for Escherichia coli ved at tilføje yderligere to "bogstaver" til den. Faktum er, at DNA i levende organismer er dobbelt, det vil sige, det er dannet af to kæder, der er parret med hinanden ved hjælp af komplementære bindinger. Sådanne bindinger dannes mellem basen af A-nukleotidet fra den ene streng og basen af T-nukleotidet fra den anden (ligeledes mellem C og G). Derfor skal de to nye syntetiske nukleotider også være i stand til at parre komplementært. Valget faldt på dNaM og d5SICS.
E. coli Escherichia coli
Foto: Rocky Mountain Laboratories / NIAID / NIH
Et par syntetiske nukleotider blev indsat i et plasmid - et dobbeltstrenget cirkulært DNA-molekyle, der var i stand til at formere sig adskilt fra resten af det bakterielle genom. De erstattede et par komplementære nukleotider A og T, som var en del af lactoseoperonen - et sæt gener, der metaboliserer lactosesukker, og de ikke-kodende DNA-sekvenser, der er forbundet med dem. Syntetiske nukleotider var ikke inkluderet i det område, som polymerasen kopierer i mRNA.
Salgsfremmende video:
Hvorfor besluttede forskere ikke at indsætte syntetiske nukleotider direkte i genet, men ved siden af det? Faktum er, at det er meget vanskeligt at ændre et gen på denne måde, så det forbliver funktionelt. Når alt kommer til alt er det nødvendigt at binde de resulterende nye kodoner til enhver aminosyre. Til dette er det igen nødvendigt at lære cellen at producere forskellige typer transport-RNA (tRNA), som kan genkende disse kodoner.
TRNA-molekylerne udfører følgende funktion. De bærer ligesom lastbiler en bestemt aminosyre i den ene ende, nærmer sig mRNA'et i ribosomerne og begynder igen at matche tripletten af nukleotider i den anden ende med kodonen. Hvis de stemmer overens, fjernes aminosyren og inkorporeres i proteinet. Men hvis der ikke er noget passende tRNA, syntetiseres proteinet ikke, hvilket kan påvirke cellelevedygtigheden negativt. Derfor skulle forskere ved at indføre syntetiske nukleotider i gener skabe gener, der koder for nye tRNA'er, der kan genkende kunstige kodoner og vedhæfte den korrekte aminosyre til polypeptidet. Forskernes opgave var imidlertid enklere. De var nødt til at sikre, at plasmidet med syntetiske nukleotider med succes ville formere sig og blive overført til datterorganismer.
Plasmider bruges til at transformere Escherichia coli
Billede: Denis A. Malyshev / Kirandeep Dhami / Thomas Lavergne / Tingjian Chen / Nan Dai / Jeremy M. Foster / Ivan R. Correa / Floyd E. Romesberg / Natur / Institut for Kemi / Scripps Research Institute
Dette plasmid, betegnet pINF, blev indført i E. coli. For at kopiere det er det imidlertid nødvendigt, at mange nukleotider er til stede inde i bakteriecellen. Til dette formål blev et andet plasmid, pCDF-1b, indsat i E. coli. Den indeholdt genet til diatom Phaeodactylum tricornutum PtNTT2, som koder for NTT-proteinet, som transporterer nukleotider fra næringsmediet ind i cellen.
Forskere stod imidlertid over for en række vanskeligheder. For det første har proteinerne fra Phaeodactylum tricornutum en toksisk virkning på E. coli-cellen. Alt på grund af tilstedeværelsen i dem af et fragment af aminosyresekvensen, som bærer en signalfunktion. Takket være hende tager proteinet den rigtige position i algen cellen, hvorefter sekvensen fjernes. E. coli er ikke i stand til at fjerne dette fragment, så forskerne hjalp hende. De var i stand til at fjerne de første 65 aminosyrer fra NTT. Dette reducerede toksiciteten signifikant, skønt det også reducerede nukleotidtransporthastigheden.
Et andet problem var, at syntetiske nukleotider blev tilbageholdt i plasmider i lang tid og ikke erstattet, når DNA blev kopieret. Som det viste sig, hang deres sikkerhed af, hvilke nukleotider der omgav dem. For at finde ud af analyserede forskerne forskellige kombinationer indlejret i 16 plasmider. For at forstå, om et syntetisk nukleotid var faldet ud af sekvensen, brugte forskerne CRISPR / Cas9-teknologi.
CRISPR / Cas9
Billede: Steve Dixon / Feng Zhang / MIT
CRISPR / Cas9 er en molekylær mekanisme, der findes inde i bakterier og giver dem mulighed for at bekæmpe bakteriofager. Med andre ord repræsenterer denne teknologi immunitet mod virusinfektioner. CRISPR er et specielt stykke DNA. De indeholder korte fragmenter af DNA-vira, der engang inficerede forfædrene til nutidens bakterier, men blev besejret af deres indre forsvar.
Når bakteriofagen kommer ind i bakterierne, bruges disse fragmenter som en skabelon til syntese af molekyler kaldet crRNA. Der dannes mange forskellige RNA-kæder, de binder til Cas9-proteinet, hvis opgave er at skære virus-DNA'et. Han kan kun gøre dette, efter at crRNA finder et komplementært fragment af viralt DNA.
Hvis der i stedet for crRNA anvendes en RNA-sekvens, der er komplementær til et bestemt fragment af plasmidet, vil Cas9 også skære plasmidet. Men hvis der er syntetiske nukleotider i dette fragment, fungerer proteinet ikke. Under anvendelse af CRISPR er det således muligt at isolere de plasmider, der er resistente over for uønskede mutationer. Det viste sig, at i 13 ud af 16 plasmider var tabet af syntetiske nukleotider ubetydeligt.
Således formåede forskerne at skabe en organisme med grundlæggende ændringer i DNA, der var i stand til at bevare dem i sig selv på ubestemt tid.
Selvom en halvsyntetisk livsform kun har to unaturlige nukleotider i sit genom, som ikke findes i kodoner og ikke er involveret i kodningen af aminosyrer, er det den første resistente organisme, hvis DNA-alfabet består af seks bogstaver. I fremtiden vil forskere sandsynligvis kunne bruge denne innovation til at syntetisere proteiner og derved skabe en fuldgyldig kunstig genetisk kode.
Alexander Enikeev