Синтетический генетический элемент позволяет изучать молекулярные функции в различных организмах-хозяевах
Более 60% всех лекарств, включая антибиотики и противораковые средства, происходят от природных продуктов — малых молекул, кодируемых метаболическими генами. Эти молекулы часто имеют сложные химические структуры, сформированные миллиардами лет эволюции у разнообразных форм жизни. Однако сотни тысяч отдельных генетических путей, делающих эти структуры возможными, остаются в основном неисследованными из-за сложности генетических и молекулярных взаимодействий между видами.
Ученые из Йеля разработали новую технологию синтетической биологии, которая действует как универсальный переводчик, отслеживая ранее неисследованные гены и отдельные метаболические события в разных организмах. Результаты опубликованы 1 апреля в журнале Cell.
Новая технология — это «универсальный генетический язык, своего рода Розеттский камень, который может разблокировать скрытые гены и молекулы жизни», — говорит Фаррен Айзекс, соавтор исследования.
Одна из новых областей для изучения — человеческий микробиом, где триллионы бактерий взаимодействуют с организмом-хозяином. Однако исследовано менее 1% всех потенциальных генетических путей, влияющих на эти межвидовые взаимодействия.
Изучение этих путей затруднено невозможностью выращивать микроорганизмы в лабораторных условиях, а гены, кодирующие метаболиты, часто «молчат».
Лаборатории Айзекса и соавтора Джейсона Кроуфорда использовали вычислительную биологию и синтез ДНК для создания единого «синтетического генетического элемента» (SGE). SGE, созданный с помощью разработанного командой программного обеспечения, перепроектирует генетические пути так, чтобы их можно было активировать в различных организмах-хозяевах.
«Мы перепроектировали последовательности генов и их промоторы, контролирующие функции в разных организмах», — пояснил первый автор исследования Джеймин Патель.
Используя новый инструмент, исследователи обнаружили, как один генетический путь из человеческого микробиома кодирует ранее неизвестный класс метаболитов — тироцитабины. Эти метаболиты ингибируют трансляционную активность и связаны с десятками других еще не открытых путей.
«Родственные, но в настоящее время не охарактеризованные пути широко распространены в различных геномах, что говорит о том, что большая часть специализированного химического и биологического разнообразия нуклеотидов еще ждет своего открытия», — отметил Кроуфорд.
Сейчас лаборатории работают над масштабированием использования этого открытия, чтобы в конечном итоге исследовать тысячи ранее неизвестных генетических путей, которые могут объяснить роль этих метаболитов в природе и дать возможную терапевтическую пользу.
«Это закладывает основу для использования совершенно нового инструмента открытий в синтетической биологии для идентификации множества новых природных продуктов», — заключил Айзекс.