Первые клетки, перепрограммированные для создания синтетических полимеров — и устойчивые к вирусам производители лекарств

Ученые создали первые клетки, способные строить искусственные полимеры из строительных блоков, не встречающихся в природе, следуя инструкциям, закодированным исследователями в их генах.

Исследование, проведенное учеными из Лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям (MRC) в Кембридже (Великобритания), также показало, что синтетический геном сделал бактерии полностью устойчивыми к заражению вирусами.

Ученые считают, что их работа может привести к созданию новых полимеров (крупных молекул из множества повторяющихся звеньев, таких как белки, пластмассы и многие лекарства, включая антибиотики) и облегчить надежное производство лекарств с помощью бактерий.

Исследование, опубликованное в журнале Science, основано на предыдущей прорывной работе команды, которая в 2019 году разработала новые методы создания самого большого на тот момент синтетического генома — сконструировав с нуля весь геном бактерии Escherichia coli (E. coli).

Использование естественных процессов создания белков в клетках

Целью ученых было использовать свою новую технологию для создания первой клетки, способной собирать полимеры целиком из строительных блоков, не встречающихся в природе.

Поскольку белки являются типом полимеров, ученые стремились создавать искусственные полимеры, используя естественные процессы синтеза белка в клетках.

Генетический код инструктирует клетку, как создавать белки, которые строятся путем соединения цепочек природных строительных блоков — аминокислот.

Генетический код в ДНК состоит из четырех оснований, обозначаемых буквами: A, T, C и G. Четыре буквы в ДНК «читаются» группами по три буквы (например, «TCG»), которые называются «кодонами».

Каждый кодон говорит клетке добавить в цепь определенную аминокислоту — это происходит с помощью молекул, называемых «тРНК». Каждый кодон имеет специфическую тРНК, которая его распознает и добавляет соответствующую аминокислоту. Например, тРНК, распознающая кодон «TCG», доставляет аминокислоту серин.

При четырех буквах в группах по три существует 64 возможные комбинации букв. Однако в природе клетки обычно используют только 20 различных аминокислот. Поэтому несколько разных кодонов могут быть синонимичными — они кодируют одну и ту же аминокислоту. Например, TCG, TCA, AGC и AGT кодируют серин.

Также существуют кодоны, которые указывают клетке остановить синтез белка, например TAG и TAA.

Переписывание всего генома

В 2019 году, создавая первый полностью синтезированный с нуля геном для широко изучаемой бактерии E. coli, команда MRC также упростила его геном.

Они заменили некоторые кодоны их синонимами: удалили все экземпляры TCG и TCA, заменив их синонимами AGC и AGT. Они также удалили все экземпляры «стоп»-кодона TAG, заменив его синонимом TAA.

Модифицированные бактерии больше не имели кодонов TCG, TCA и TAG в своем геноме, но все еще могли производить нормальные белки, жить и расти.

Устойчивость к вирусам

В своем последнем исследовании ученые дополнительно модифицировали бактерии, удалив молекулы тРНК, которые распознают кодоны TCG и TCA. Это означает, что даже если в генетическом коде есть кодоны TCG или TCA, у клетки больше нет молекулы, способной их прочитать.

Это смертельно для любого вируса, пытающегося заразить клетку, поскольку вирусы размножаются, вводя свой геном в клетку и захватывая ее механизмы. Геномы вирусов все еще содержат множество кодонов TCG, TCA и TAG, но у модифицированных бактерий отсутствуют тРНК для их считывания.

Когда механизмы в модифицированных бактериях пытаются прочитать геном вируса, они терпят неудачу каждый раз, когда достигают кодона TCG, TCA или TAG.

В этом исследовании ученые заразили свои бактерии коктейлем вирусов. Немодифицированные обычные бактерии были убиты вирусами, но модифицированные бактерии оказались устойчивы к инфекции и выжили.

Создание устойчивых к вирусам бактерий может сделать производство некоторых типов лекарств более надежным и дешевым. Многие лекарства (например, белковые препараты, такие как инсулин, а также полисахаридные и белковые субъединичные вакцины) производятся путем выращивания бактерий, содержащих инструкции по производству препарата.

Профессор Джейсон Чин, руководивший исследованием, сказал: «Если вирус попадает в резервуары 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. Поскольку вирусы используют полный генетический код, модифицированные бактерии не смогут прочитать вирусные гены».

Живые фабрики для синтетических полимеров

Создав бактерии с синтетическими геномами, которые не используют определенные кодоны, исследователи освободили эти кодоны для других целей, например, для кодирования синтетических строительных блоков — мономеров.

Профессор Чин сказал: «Эта система позволяет нам написать ген, который кодирует инструкции для создания полимеров из мономеров, не встречающихся в природе. Эти бактерии могут быть превращены в возобновляемые и программируемые фабрики, производящие широкий спектр новых молекул с новыми свойствами, что может принести пользу биотехнологии и медицине, включая создание новых лекарств, таких как новые антибиотики».

Ученые модифицировали бактерии для производства тРНК, связанных с искусственными мономерами, которые распознавали вновь доступные кодоны (TCG и TAG).

Они вставили в ДНК бактерий генетические последовательности с цепочками кодонов TCG и TAG. Их считывали измененные тРНК, которые собирали цепи синтетических мономеров в последовательности, определяемой последовательностью кодонов в ДНК.

Клетки были запрограммированы на соединение мономеров в разном порядке путем изменения последовательности кодонов TCG и TAG в генетической последовательности.

Полимеры, состоящие из разных мономеров, также создавались путем изменения того, какие мономеры были связаны с тРНК.

Исследователям удалось создать полимеры длиной до восьми соединенных вместе мономеров. Они соединили концы этих полимеров, чтобы получить макроциклы — тип молекул, лежащих в основе некоторых лекарств, таких как определенные антибиотики и противораковые препараты.

В этом исследовании синтетические мономеры были соединены теми же химическими связями, что и аминокислоты в белках, но ученые изучают, как расширить спектр связей, которые можно использовать в новых полимерах.