Организмы с измененным кодом ДНК умирают под воздействием света

Два года назад учёные США заявили, что им удалось внедрить две искусственные "буквы" ДНК (пары оснований) в геном живого организма. Исследователи планировали проверить, можно ли внедрять чужеродные элементы в геном, насколько стабильной при этом будет жизнь такой полусинтетической бактерии Escherichia coli и будет ли она самовоспроизводиться с такими "надстройками". Конечной же целью всех экспериментов такого рода является создание "фабрик" по производству нужных учёным веществ, например, новых белков, необходимых самым разным отраслям промышленности.

Собирать такие вещества "по кирпичикам" долго и чаще всего дорого. А вот кишечную палочку уже много раз "нанимали" на такую работу: попросят её то газ пропан выдать, то бензин, то дизельное топливо. Микроорганизм этот относительно неприхотлив: подкармливать, содержать миллиарды миллиардов бактерий в комфортных условиях, "доить" и собирать хорошие "надои" нужных веществ не так уж сложно.

Но полученные поколения полусинтетических микроорганизмов продемонстрировали неожиданный результат, заставивший учёных задуматься, правильный ли путь они выбирают.

Новое исследование показало, что работать с полусинтетическим организмом (по крайней мере, в этой конкретной модификации), скорее всего, не получится. Кишечные палочки E. coli с искусственными "буквами" в ДНК продемонстрировали фототоксичность. Проще говоря, бактерии умирают под воздействием света. Совсем небольшая доза солнечного облучения или света флуоресцентных ламп значительно снижает выживаемость клеток и их рост.

Как оказалось, дело в том, что внедрённая искусственная пара оснований состоит из двух нуклеозидов (нуклеотидов без фосфатных групп), называемых d5SICS и dNaM. Последние по своей химической структуре отличаются от природных, а значит, поглощают свет другой длины волны (отличие при этом не слишком большое — 400 нанометров вместо 300 нм у естественных).

Но ежедневные дозы облучения (свет Солнца, доходящий до поверхности Земли и свет флуоресцентных ламп), которые получаем мы и микроорганизмы, живущие в лаборатории, содержат гораздо больше света с длиной волны 400 нм (ближнего видимого диапазона) нежели с длиной волны 300 нм (ближе к ультрафиолету).

Чтобы понять, насколько эта разница влияет на живые клетки, учёные провели эксперимент. Они подвергли воздействию света раковые клетки кожи. Выяснилось, что при облучении светом с длиной волны 400 нм даже в небольших дозах выживаемость обычных клеток без искусственных нуклеозидов не изменилась. Такой же была ситуация с изменёнными клетками, которые не обрабатывали светом. А вот раковые клетки с "лишними буквами" в ДНК, получившие даже небольшую дозу облучения, демонстрировали значительное снижение пролиферации. То есть искусственые пары оснований сделали эти клетки чувствительными к воздействию света определённой длины волны. Фактически они получали фотохимические повреждения.

Дальнейшие исследования показали, что, скорее всего, свет провоцирует появление внутри клеток большого количества активных форм кислорода (АФК). Известно, что высокое содержание АФК вредит живой клетке, а бактерии с "лишними буквами" после облучения светом обладали ещё большим количеством этих токсичных соединений, нежели не обработанные клетки.

Таким образом исследование показало, что даже небольшие изменения генетического кода могут привести к непредвиденным и далеко идущим последствиям для всего организма.

"Сейчас ведётся обширная работа по созданию генетически модифицированных живых организмов с разными целями. Наша работа чётко даёт понять исследователям, что надо быть внимательными при попытках расширить генетический алфавит, особенно если синтетические организмы затем будут подвергаться воздействию света. Ранее на этот факт не обращали внимания", — говорит один из авторов открытия Карлос Креспо-Эрнандес (Carlos Crespo-Hernández) из Университета Кейс Вестерн Резерв.

Впрочем, в данном случае не было бы счастья, да несчастье помогло. Открытие может сослужить и хорошую службу человеку, так как учёные, используя явление фототоксичности, могут придумать новый способ лечения рака.