Ученые создали клетки с искусственным геномом, устойчивые к вирусам

Британские ученые перепрограммировали геном бактерии кишечной палочки, получив таким образом первые живые клетки с искусственным геномом, которые могут создавать полимеры из строительных блоков, которые не встречаются в природе, следуя инструкциям, заложенным в их гены. Кроме того, они не восприимчивы к любым вирусам. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

В 2019 году ученые из лаборатории молекулярной биологии Медицинского исследовательского совета Кембриджского университета, используя собственный метод, создали с нуля крупнейший в истории синтетический геном — генетически модифицированную бактерию Escherichia coli (E.coli).

Генетический код, зашифрованный в ДНК, состоит из четырех оснований, представленных буквами: A, T, C и G. Трехбуквенные сочетания, называемые кодонами, при сборке дают клетке команду добавить в цепь определенную аминокислоту, что она и делает с помощью молекул, называемых тРНК (транспортная РНК). Каждый кодон имеет определенную тРНК, которая распознает его и добавляет соответствующую аминокислоту: например, тРНК, которая распознает кодон TCG, приносит аминокислоту серин.

Но четыре буквы имеют 64 варианта трехбуквенных комбинаций, а клетки используют при строительстве только 20 природных аминокислот. В итоге, для каждой аминокислоты есть несколько кодонов-синонимов, дублирующих друг друга. Например, серин кодируют кодоны TCG, TCA, AGC и AGT. Даже если какого-то из них не окажется, клетка будет все так же продолжать сборку в соответствии с генетическим кодом.

Экспериментальным путем исследователи убедились, что клетки могут производить нормальные белки, жить и расти, даже если удалить три кодона из четырех. Тогда авторы полностью "переписали" геном E.coli, существенно упростив его и удалив все кодоны-синонимы. Это сделало клетки кишечной палочки полностью невосприимчивыми к вирусам, так как вирусы используют полный генетический код, а у модифицированных бактерий нет инструмента для считывания определенных вирусных генов.

Во многих биотехнологиях бактерии используют в качестве живых фабрик для создания синтетических полимеров — больших молекул, состоящих из множества повторяющихся единиц. Одной из разновидностей полимеров являются белки, широко используемые в производстве многих лекарств, таких как инсулин, вакцины на основе полисахаридов и белковых субъединиц, а также некоторых антибиотиков. По мнению авторов, повышение устойчивости бактерий с синтетическим геномом к вирусам сделает производство определенных видов лекарств более надежным и дешевым.

"Если вирус попадет в чаны с бактериями, используемыми для производства определенных лекарств, он может уничтожить всю партию. Наши модифицированные бактериальные клетки могут решить эту проблему будучи полностью устойчивыми к вирусам", — приводятся в пресс-релизе Британского органа по исследованиям и инновациям (UKRI) слова руководителя проекта профессора Джейсона Чина (Jason Chin).

Целью ученых также было использовать свою новую технологию для создания первой клетки, которая может собирать полимеры полностью из строительных блоков, которые не встречаются в природе. Возможность генерировать дизайнерские белки и пластмассы с использованием неприродных строительных блоков откроет бесчисленное множество приложений, от разработки новых классов биотерапевтических средств до биоматериалов с инновационными свойствами, считают ученые.