Генетичний код усіх живих істот функціонує на базі тільки чотирьох компонентів, що групуються в так звані «базові пари». Основою біорізноманіття, завдяки якому на Землі існують бактерії й метелики, пінгвіни й люди, є перегрупування елементів у цих базових парах. Лише чотири блоки формують життя на нашій планеті – таким, як ми його знаємо.

Чи досі знали. Вчені з Дослідницького інституту Скріппс (The Scripps Research Institute – TSRI) оголосили про створення першого стабільного напівштучного організму. Спираючись на їхнє власне дослідження 2014, внаслідок якого було синтезовано базові пари ДНК, вчені створили бактерію, яка, крім чотирьох природних блоків (аденіну А, тіміну Т, цитозіну C й гуаніну G), що їх містять усі живі організми, має в своєму генетичному коді також пару синтетичних блоків, названих  відповідно X та Y.

Професор із Дослідницького інституту Скріппс Флойд Роумзберг (Floyd Romesberg) зі своїми колегами показав, що одноклітинний організм здатен зберігати два штучні блоки в своєму ДНК навіть при діленні. Їхнє дослідження було опубліковане 23 січня 2017 року в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Ми зробили цей напівштучний  організм більш життєздатним», - розповів Роумзберг, провідний автор дослідження.

Застосування організмів на кшталт створеного залишається справою майбутнього, але дослідники припускають, що таким чином можна надавати одноклітинним організмам нових властивостей, які можуть відіграти важливу роль щонайменше у винайденні нових препаратів.

Створення унікального організму     

Коли Роумзберг із колегами в 2014 році анонсували створення X та Y, вони також зазначили, що модифікована бактерія Escherichia coli може утримувати синтетичну пару блоків у своєму генетичному коді. Що E. coli не могла робити, так це зберігати синтетичні блоки протягом необмеженого часу після ділення. Базова пара X та Y з часом втрачалася – таким чином шляхи, завдяки яким організм міг використовувати додаткову інформацію, що містилась у його ДНК, були обмеженими.

«Ваш геном має бути стабільним протягом вашого життя, - зазначив Роумзберг. – Якщо синтетичний організм претендує на те, щоб називатися живим, він має зберігати цю інформацію в своєму геномі весь час». Роумзберг порівняв недосконалий організм із дитиною. Підготовка його до реального життя вимагала додаткових досліджень.

Невдовзі до наукових експериментів у лабораторії Роумзберга приєдналися Йорк Чанг (TSRI) і Брайан Лемб (ACS - Американське товариство раку). Наслідком їхньої спільної  роботи стало винайдення засобів, завдяки яким одноклітинний організм зміг утримати в своєму ДНК штучно створену пару блоків.

Передусім Чанг і Лемб, перші співавтори дослідження, оптимізували механізм, що має назву нуклеотидного транспортера. Цей механізм відповідає за постачання матеріалів безпосередньо до штучної базової пари, щоб таким чином забезпечити її копіювання уздовж клітинної мембрани. «Транспортер було використано ще 2014 року, але це значно ослабило наш напівштучний організм», - пояснив Чанг. Дослідники розробили таку модифікацію нуклеотидного транспортера, яка дозволила усунути проблему – тепер організм міг рости й ділитися, утримуючи X та Y у своїй ДНК.

Наступним кроком була оптимізація попередньої версії Y. Новий елемент Y за хімічним складом істотно відрізнявся – це дозволило ензимам, що їх синтезують молекули ДНК під час ДНК-реплікації, краще його розпізнавати. Таким чином, копіювання синтетичної базової пари стало для клітини значно легшим.

Нове використання CRISPR-Cas9

Нарешті, дослідники встановили в новоствореному організмі систему контролю, використовуючи CRISPR-Cas9 – інструмент, надзвичайно популярний в експериментах із редагування людського геному. Проте, замість редагувати геном, учені придумали, як оригінальним чином використати CRISPR-Cas9 в організмі бактерії.

Вживлений в організм бактерії генетичний інструмент CRISPR-Cas9, що є сегментом ДНК й ензимом, став виконувати роль, подібну до імунної реакції. Коли бактерія стикається із загрозою на кшталт вірусу, вона бере фрагменти геному загарбника й «наклеює» їх на свій власний геном – так, ніби вішає постер «Увага! Розшук!» на той випадок, якщо побачить загарбника знову. Пізніше бактерія може використати ці «запощені» гени для того, щоб скеровувати ензими в атаку на агресора, якщо він з’явиться знову.

Знаючи це, дослідники модифікували новостворений напівштучний організм таким чином, щоб він розпізнавав генетичну послідовність без того, щоб бачити в X та Y іноземних загарбників. Клітина, що втратила X та Y, була помічена як така, що підлягає знищенню, натомість організм, що утримував у своїй ДНК штучні елементи, залишався. Це було схоже на те, ніби організм мав імунітет до втрати штучної базової пари.

«Ми спромоглися вивести проблему на фундаментальний рівень», – зазначив Лемб, що нині працює науковим співробітником у Vertex Pharmaceuticals.

Отже, таким чином напівштучний організм набув властивості втримувати X та Y у своєму геномі після 60-кратного ділення, укріпивши дослідників у думці, що він здатен зберегти свою структуру без змін протягом необмеженого часу.

«Тепер ми зможемо пролити світло на становлення життя, – сказав Роумзберг. – Також це означає, що будь-які життєві процеси можуть стати об’єктом маніпуляції».

Підстави для майбутніх досліджень

Роумзберг наголосив, що його експерименти стосуються одноклітинних істот; це не означає, що вони можуть бути повторені на складніших організмах. Він додав, що актуальне застосування цих напівштучних організмів нині на нульовій стадії. Єдине, що можуть нині вчені, так це примусити організми зберігати генетичну інформацію.

Далі науковці планують дослідити, як саме їхній новий генетичний код може бути транскрибований в РНК, молекулу, потрібну для того, щоб транслювати ДНК до протеїнів. «Це дослідження є фундаментом усіх наших подальших експериментів», – зазначив Чанг.

Іншими авторами дослідження «Напівштучний організм, створений для стабільного поширення генетичної абетки», були Аарон В. Фельдман (Aaron W. Feldman) і Енн Сяочжоу Чжоу (Anne Xiaozhou Zhou) з TSRI, а також Томас Лаверн (Thomas Lavergne) з Університету Гренобля й Ліньчун Лі (Lingjun Li) з Університету Хенаня.

Дослідницький інститут Скріппс (TSRI) – одна з найбільших у світі незалежних неприбуткових організацій, що займається дослідженнями в галузі біомедицини. TSRI відомий своїм внеском в науку і здоров’я, враховуючи його роль у фінансуванні досліджень, що стосуються лікування раку, ревматоїдного артриту, гемофілії й інших хвороб. Інститут, що постав із Метаболічної клініки Скріппс, заснованої філантропом Елен Браунінг Скріппс у 1924 році, нині нараховує 2 500 працівників, серед яких прославлені вчені – двоє Нобелівських лауреатів і 20 членів Американської національної академії наук у сфері інженерії й медицини. Детальніша інформація про Інститут – за посиланням www.scripps.edu.

 

Матеріал взято із сайту http://www.scripps.edu/news/press/2017/20170123romesberg.html

Переклад Ірини Борисюк