Ученые создали полусинтетическую бактерию. Зачем?

Международная группа ученых создала полусинтетическую бактерию — с искусственными элементами ДНК, которых нет в других живых организмах. Это не первая подобная работа, но лишь сейчас ученым удалось добиться того, чтобы эти элементы не пропадали при нескольких делениях клетки. «Медуза» попросила доктора биологических наук и профессора Сколковского института науки и технологий Константина Северинова рассказать о том, почему это важно.

Как устроена ДНК?

ДНК всех живых организмов состоит из четырех оснований. Это не очень сложные химические соединения, сокращенно они называются просто A, G, C и T. Есть правило: в знаменитой двойной спирали ДНК напротив A всегда стоит T и наоборот, а напротив G — C и наоборот. То есть информация, записанная в виде произвольной последовательности оснований-букв в одной цепи ДНК, полностью содержится и в другой цепи. На этом основана репликация ДНК, процесс передачи генетической информации в поколениях. Когда наши клетки делятся, гены (они находятся в ДНК) передаются в каждую дочернюю клетку поровну: цепи ДНК расходятся, а потом по каждой цепочке строится недостающая. Информация, последовательность букв, при этом сохраняется, а из одной молекулы ДНК получается две. Сами молекулы ДНК могут быть очень длинными, например геном человека содержится в 23 цепочках ДНК общей длиной более трех миллиардов букв.

ДНК кодирует белки. У всего живого белки состоят из последовательностей, составленных из 20 строительных блoков-аминокислот — и именно белки определяют большинство наших свойств. Три буквы ДНК вместе кодируют одну определенную аминокислоту согласно правилу, которое называется «генетический код». Этот код общий для всего живого на Земле. Соответственно, те белки, которые клетки могут сделать или которые могут сделать генные инженеры, ограничены четырехбуквенным алфавитом ДНК, 20-ти буквенным аминокислотным алфавитом и универсальными правилами генетического кода. Точно так же, как в русском языке: есть 33 буквы и нельзя сделать слова, которые содержат букву, несуществующую в нашем языке, например, эстонскую «ö».

Можно ли это изменить?

Люди, которые называют себя синтетическими биологами, изучают, в частности, возможности расширения алфавитов ДНК и белков и создания новых возможностей генетического кода. Есть ведь и другие аминокислоты, никто не сказал, что не может быть других белков — просто жизнь не умеет их кодировать, вот она их и не использует. И один из способов увеличить так называемую кодирующую способность клеток, это придумать, найти или создать новые дополнительные буквы ДНК, которые вели бы себя по правилам стандартных букв. Ранее авторы этой работы придумали дополнительную пару букв. Буквы новой пары по размерам подходят для стандартной двойной спирали ДНК, кроме того соблюдается правило отражения — X стоит напротив Y и наоборот. Раз в ДНК стало больше букв, то, значит, потенциально стало больше аминокислот в белках, потому что тройки, содержащие новые буквы, можно в принципе «научить» кодировать новые аминокислоты. Так как аминокислоты в белках определяют их биохимические и физиологические свойства, то, возможно, удастся получить совершенно необычные белки.

Что сделали ученые?

В своей предыдущей работе эта группа ученых продемонстрировала принципиальную возможность расширения генетического кода. Они подобрали новые буквы X и Y, которые вели себя, как выбранные природой A, G, C и T. Они показали, что в бактерии (кишечной палочке) молекулы ДНК, содержащие одну единственную пару Х-Y среди нескольких тысяч стандартных пар, в принципе могут существовать какое-то время и передаваться от одной бактерии другой. Так как клетки сами не умеют делать буквы X и Y, ученые должны были эти буквы синтезировать химическими методами, а потом наливать в питательную среду, чтобы клетки их поглощали. Но поглощали они эти соединения очень неохотно. Им от этих X и Y было не очень хорошо, а сама необычная пара оснований в итоге из ДНК терялась, все приходило «в норму». Это обычная ситуация: клетки — хитрые бестии и все время норовят вернуться в свое нормальное, естественное состояние.

Таким образом, предыдущая работа показала принципиальную возможность расширения биологического алфавита, но невозможно было сделать его стабильно наследуемым и поддерживаемым долгое время.

Что ученые сделали теперь?

В новой работе систему улучшили, что позволило добиться надежного наследования ДНК с неприродными буквами. Во-первых, чтобы клетки лучше получали из среды буквы X и Y, ученые создали модифицированный вариант кишечной палочки. В мембране этих клеток появился белок-насос, который активно затаскивает буквы X и Y внутрь клетки. Тем самым вопрос доступности этих необычных соединений решился. Во-вторых, ученые смогли сделать так, чтобы молекулы ДНК, содержащие X-Y пары оставались в клетке и после многих делений. Ученые воспользовались системой геномного редактирования CRISPR-Cas, которая сейчас крайне популярна для различных генноинженерных приложений. CRISPR-Cas редактор может узнавать определенные последовательности ДНК, раскусывать их и тем самым уничтожать. Авторы ввели в свои клетки CRISPR-Cas редактор, который был запрограммирован расщеплять те последовательности ДНК, которые теряют неестественную X-Y пару. Клетки, в которых «сработал» редактор, погибали. Молекулы ДНК, которые сохраняли X-Y пару, редактором не узнавались. В итоге выживали только те клетки, которые содержали ДНК с измененным генетическим алфавитом.

Зачем это нужно?

Прямо сейчас это ни за чем не нужно. Это концепция, идея, демонстрация наших возможностей без гарантии применения в ближайшем будущем. Созданная авторами система может рассматриваться как автономный модуль, часть генетического конструктора, который может быть вложен в любой организм, не только кишечную палочку, и будет там работать. При желании его можно вставить и в человека, и в слона. Другой вопрос — зачем. Может быть, действительно когда-нибудь получится создавать новые белки, которых нет в природе и которые будут делать что-то действительно уникальное: улучшенные антитела для лечения рака, белки, убивающие определенные бактерии и т. д. Конечно же, авторы пишут, что это пригодится в разработке лекарств, но надо понимать, что им тоже нужны деньги, гранты. Проблема на самом деле в том, что в общем случае никто не знает, как путем вставления аминокислот — природных или не природных, не важно — получать белки с заданными свойствами. В действительности такие работы делаются не для сиюминутной пользы, они делаются для того, чтобы показать наши возможности. Только представьте себе: Земля существует 4,5 миллиарда лет, жизнь на Земле — 3,5 миллиарда лет и все это время она использует один единственный код, основанный на четырехбуквенном алфавите ДНК. Современный человек существует около 50 тысяч лет, цивилизация — менее 10 тысяч лет, 60 лет назад мы открыли ДНК, поняли, как она работает, а сейчас люди взяли и изменили код! Вот что впечатляет. А то, что это потом можно в каком-то виде кому-нибудь продать — ежу понятно.