Новости и мнения

Оптимизация генетического кода кишечной палочки

Ученые разрабатывают бактериальный геном только с 57 кодонами.

Генетический код обычно содержит 64 кодона, но исследователи из Гарвардского университета и их коллеги разработали геном Escherichia coli только с 57 кодонами, заменив остальные оптом. В статье, опубликованной сегодня (18 августа) в журнале Science , команда описывает компьютерный геном и сообщает о первых этапах его синтеза в лаборатории.

«Мы создаем нечто, что действительно расширяет границы геномов», – сказал The Scientist соавтор исследования Нили Остров , постдок в лаборатории Джорджа Черча в Гарварде . «Идея состоит в том, что это совершенно новое, и мы пытаемся увидеть, насколько оно жизнеспособно».

В запланированном геноме E. coli с 57 кодонами каждый из семи удаленных кодонов заменяется синонимом. У команды есть несколько целей для проекта. Исследователи предложили, что после того, как геном E.coli будет сокращен до 57 кодонов, семь пустых кодонов могут быть реинтегрированы и использованы для введения нестандартных аминокислот; это открыло бы двери для создания более широкого спектра белков для промышленного применения.

Перекодированный геном также придает устойчивость к вирусной инфекции и может быть использован для биологического удержания: ДНК, включенная из кишечной палочки или вирусов дикого типа, не может быть использована для успешного построения белков, когда в ответ на передачу РНК (тРНК) вставляется нестандартная аминокислота к данному кодону. Один или несколько свободных кодонов также могут быть перекодированы в аминокислоту, доступную только в лаборатории, что делает метаболизированную кишечную палочку метаболически зависимой от поставляемой ученым среды.

«Мы очень тщательно продумали методы разработки», – сказал Остров, отметив проблемы безопасности и био-содержания проекта. «То, что мы пытаемся сделать, это составить карту неизведанных вод».

Чтобы спроектировать геном, исследовательская группа создала программный инструмент, который заменял каждый экземпляр семи кодонов синонимичным кодоном в отрезке ДНК, который можно было бы синтезировать в лаборатории. Всего в кодированном дизайне генома было 62,214 замен кодонов по 3548 генам. «Возможно, это самый крупный и самый радикальный проект по геномной инженерии», – сказал Черч The Scientist.

Имея теоретический геном в руках, Остров и его коллеги начали тестирование своего дизайна в живых клетках. Они разделили перекодированный геном на 87 сегментов, каждый длиной около 50 кб, содержащих в среднем 40 генов, и передали проект биотехнологическим компаниям для синтеза ДНК. Затем исследователи начали интегрировать каждый сегмент в отдельный штамм E.coli и удалять соответствующую ДНК дикого типа для проверки жизнеспособности.

«В принципе, вы можете провести синтез всего генома in vitro, а затем пересадить геном», – сказал Черч. Вместо этого его команда разработала конвейер для получения обратной связи от живых клеток в реальном времени: «Сборка происходит при работающем двигателе», объяснил он.

В своей статье исследователи рассматривают результаты этой проверки для 55 из 87 сегментов генома, охватывающих 63 процента перекодированного генома. Первоначальный расчетный дизайн перекодированного генома был не совсем идеальным: 13 основных генов имели фатальные ошибки, которые убивали кишечная палочка, когда сегмент ДНК дикого типа был удален.

«Мы ожидали, что будут так называемые синонимичные или молчаливые позиции, которые на самом деле не являются синонимичными или молчаливыми, где мы будем перекрывать регуляторные элементы или вторичные структуры», – сказал Черч. Чтобы устранить эти ошибки, исследователи точно определили каждый отдельный проблемный кодон и протестировали заменяющие – но все еще синонимичные – последовательности.

«Немного удивительно видеть, насколько пластичным может быть геном», – написал в электронном письме The Scientist Патрик Кай , синтетический биолог из Эдинбургского университета, который не был связан с работой . «Также очень интересно видеть, [что] такие технологии, как расчетный дизайн, синтез и сборка de novo, а также ряд анализов фенотипирования, теперь созрели для поддержки рефакторинга генома в таком масштабе».

Команда все еще должна закончить проверку остальных сегментов синтезированной ДНК и затем объединить их in vivo. «Это, конечно, захватывающая статья с явными успехами», – сказал Патрик О’Донохью , биохимик из Западного университета в Канаде, который не был связан с работой. О’Донохью указал на две ключевые проблемы, которые представляют будущие препятствия для этой области: во-первых, предотвращение мутации замещающих кодонов обратно в исходное состояние генома; во-вторых, если кодоны когда-нибудь вновь будут введены с соответствующими тРНК для вставки неканонических аминокислот, что не позволит нормальным почти родственным тРНК также транслировать их. «Напряжение, над которым они работают, будет полезным, но, безусловно, будут некоторые технологические проблемы», – добавил он.

«Следующая статья, которая, как мы надеемся, будет в ближайшее время, будет состоять в том, чтобы отшлифовать геном и начать тестировать на такие вещи, как устойчивость к поливирусам, посмотреть, сколько аминокислот мы можем загрузить и подтвердить биосодержание», – сказал Черч.

Н. Остров и др., «Конструирование, синтез и тестирование в отношении 57-кодонного генома», Science, doi: 10.1126 / science.aaf3639, 2016.

Обсуждение

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *