Биологи научились редактировать генетический код

Биологи разработали "генетический редактор", который позволяет вырезать, копировать и вставлять большие и маленькие участки ДНК прямо в живой клетке, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

Ученые придумали множество способов модификации генетического материала после расшифровки генетического кода в середине 20 века. Эти методы позволили биологам лучше изучить механизмы работы генов и дали жизнь множеству искусственно созданных видов растений, животных и бактерий.

С другой стороны, высокая стоимость и трудоемкость экспериментов не позволяет производить обширные генетические модификации. Кроме того, необходимые участки модифицированной ДНК должны быть подготовлены вне клетки-реципиента, из-за чего ученым сложно предсказать, какие побочные эффекты могут вызвать новые гены.

Группа американских и корейских биологов под руководством Джорджа Черча (George Church) из Медицинской школы Гарварда разработала два метода, позволяющие редактировать ДНК примерно так же, как документ правится в текстовом редакторе. Биологи создали инструменты MAGE ("маг") и CAGE ("клетка"), при помощи которых можно найти и выбрать определенные последовательности нуклеотидов - строительных "кирпичиков" ДНК - в исходном генетическом материале, и заменять новыми последовательностями, пишет РИА Новости.

Чтобы понять всю суть этой феноменальной работы, следует вспомнить, что каждый белок представляет собой строго индивидуальную последовательность аминокислот. Порядок аминокислот, в котором они выстраиваются от одного конца белковой молекулы до другого, записан в ДНК с помощью генетического кода: каждой соответствует, так сказать, слово из трёх нуклеотидных букв - триплет, или кодон. Не углубляясь в тонкости белкового синтеза, заметим, что последовательность триплетов служит матрицей для построения полипептидной цепи. Но у генетического кода есть одна базовая особенность, которую называют вырожденностью кода: каждой аминокислоте соответствует несколько трёхнуклеотидных слов. Более того, даже сигнальные триплеты, означающие начало и конец синтеза белковой молекулы, существуют не в единственном числе: есть несколько старт- и стоп-кодонов.

У кишечной палочки таких стоп-кодонов три: TAG, TAA и TGA, где Т - это азотистое основание тимин, А - аденин, G - гуанин. Все они выполняют одну и ту же работу - сигнализируют белок-синтезирующему конвейеру, что полипептидная цепь готова и пора отпускать её "на волю".

Учёные решили заменить все кодоны TAG на ТАА. Было синтезировано 314 фрагментов ДНК, которые в точности повторяли участки бактериальной хромосомы с TAG-кодонами, только TAG в них был заменён на ТАА. Эти фрагменты ДНК исследователи ввели в бактериальные клетки и в итоге получили около 30 штаммов кишечной палочки, у которых в том или ином месте произошли замены.

Чтобы получить штамм, у которого все TAG будут заменены на ТАА, учёные использовали способность бактерий к взаимообмену генетической информацией в процессе конъюгации. В результате нескольких циклов конъюгации между "недоделанными" штаммами образовалась бактерия, нёсшая все необходимые замены. Но, поскольку в молекулярном аппарате клетки есть белковые молекулы, которые предназначены для распознавания кодона TAG, у бактерий пришлось вырезать из генома и эти распознающие белки. В итоге в генетическом словаре образовалось слово, которое не значило ничего. Просто представьте, что всем знакомая последовательность букв "с-т-о-л" перестала обозначать известный деревянный-железный-пластиковый предмет на четырёх ножках, и теперь этот "с-т-о-л" может соотноситься с чем угодно.

Следует подчеркнуть, что это не точечная мутация, не перестановка аминокислот в гене какого-то одного белка. Этим методом редактируется сам генетический язык. Новому кодону можно приписать обозначение другой аминокислоты - как уже существующей в природе, так и абсолютно новой, синтезированной в лаборатории.

На сегодня существует несколько таких искусственных аминокислот, но учёные столкнулись с проблемой, как внедрить их в геном. Теперь же им предлагают относительно простой и быстрый способ перепрограммирования хромосомы и перестройки природных белков. Таким образом можно получить, например, бактерию, устойчивую к вирусам, поскольку вирусы работают с природными белками и будут весьма озадачены, наткнувшись на целую кучу непонятных искусственных творений.

Сейчас полным ходом идут работы по созданию синтетических организмов: исследователи пытаются создать бактерию "с нуля", написав для неё целый геном. Метод редакции генетического кода может в значительной степени упростить эту задачу. Если экспериментам подобного рода и дальше будет сопутствовать успех, то в дальнейшем уже не придётся долго и кропотливо выискивать существующие бактериальные штаммы, питающиеся, например, нефтью. Можно будет просто синтезировать микроорганизм с нужными пищевыми пристрастиями. И очередная авария, допустим, на какой-нибудь нефтедобывающей морской платформе не будет выглядеть глобальной катастрофой с необратимыми последствиями, пишет Компьюлента

Технология, созданная авторами новой работы, в перспективе поможет ученым создавать организмы с несколько иным, чем у других живых существ, генетическим кодом. Теоретически, такие организмы будут устойчивы к вирусам, так как последние эксплуатируют белоксинтезирующий аппарат клетки-хозяина, "заточенный" под "правильный" генетический код. Использовать белоксинтезирующий аппарат клеток с измененным кодом вирусы не смогут, пишет Лента.ру.