Сім «слів» з генетичного словника бактерії втратили свої колишні значення.
Суть генетичного коду в тому, що кожній з двадцяти амінокислот, з якої складені білкові молекули, відповідають певні трійки - або триплети, або кодони - з чотирьох нуклеотидів в ДНК (аденін - А, гуанін - G, цитозин - C і тимін - T; якщо мова йде не про ДНК, а про РНК, то в ній замість тіміна ми знайдемо урацил - U).
Амінокислот - двадцять, нуклеотидів - чотири, і, щоб вийшли унікальні відповідності, досить використовувати потрійні комбінації нуклеотидів. Однак чисто математично легко показати, що число можливих потрійних нуклеотидних комбінацій з A, G, T і C дорівнює 64. Виходить, що триплетів у генетичному коді існує з надлишком. Дійсно, майже всім амінокислотам відповідає не одне кодонове «слово», а кілька.
Єдина амінокислота, якою прописаний тільки один кодон - це триптофан, чий триплет виглядає як UGG, де U - урацил (азотисте підґрунтя, що використовується в РНК), G - гуанін. Тобто коли білок-синтезуюча машина їде по молекулі РНК і збирає білкову молекулу, то наткнувшись на UGG, вона вбудує в зростаючий поліпептидний ланцюг триптофан. Всім іншим амінокислотам відповідають по два, по три, а то й по шість кодонів; так, амінокислота пролин кодується послідовностями CCU, CCC, CCA, CCG, де А - аденін, С - цитозин, U - урацил, G - гуанін. Крім того, в генетичному коді є спеціальні триплетні сигнали, які позначають початок і кінець білкової молекули, тобто початок і кінець процедури синтезу білка - так звані старт- і стоп-кодони. Їх теж існує кілька, і, наприклад, в геномі кишкової палички біосинтез зупиняється тоді, коли білок-синтезуюча машина натикається на одне з наступних стоп-слів: UAG, UAA або UGA.
Кілька років тому великій команді з Гарвардської медичної школи разом з колегами з Массачусетського технологічного інституту вдалося додати в геном кишковій паличці нове генетичне «слово» - у одного зі стоп-кодонів відібрали колишнє стоп-значення, і дали йому штучну амінокислоту. Зрозуміло, що однією амінокислотою тут справа не обійшлася, і потрібно було зробити так, щоб всі молекулярні гравці, які працюють над синтезом білка, впізнавали цю амінокислоту (якої в бактерії не було і яку їй потрібно було згодовувати).
І ось зараз та ж дослідницька група під керівництвом Джорджа Черча (George Church) повідомляє в Science про новий успіх: їм вдалося виконати масштабну редакцію бактеріального геному, залишивши замість 64 кодонів 57, повністю замінивши деяких випадках один кодон іншим, що кодує ту ж саму амінокислоту. Тобто якщо взяти той же вищезгаданий пролін, то у всіх генах, де він був, ССС замінили на CCG. В результаті звільнилося «слово» CCC, яке тепер нічого не позначало. І таку процедуру виконали для семи кодонів.
Тут, звичайно, виникає питання, як сама бактерія переносить подібні процедури. Поки що автори роботи послідовно перевіряють на кишковій паличці різні шматки відредагованого геному, і з уже перевіреними 63% переписаної ДНК жодних серйозних проблем не виникло. У перспективі все має закінчитися тим, що в бактерію вставлять весь відредагований геном цілком. Тобто, іншими словами, зараз переписані гени існують у вигляді генетичної конструкції, яку поступово перевірять на сумісність з кліткою.
Виникає питання, навіщо це потрібно. Тут слід повернутися до попередніх експериментів, в яких звільненому стоп-кодону приписали абсолютно нову амінокислоту. Бактерія після всього набула стійкості до вірусу-бактеріофагу, яким її намагалися заразити. Чому так сталося, зрозуміло, адже у вірусу той кодон як і раніше був стоп-сигналом, але, оскільки вірус покладається на білоксинтезуючий апарат бактерії, то бактерія відповідно до своєї редакції, коду вставляла у вірусний білок амінокислоту, синтез тривав, і в результаті у вірусу виходив якийсь зовсім марний білок. Тобто завдяки редакції коду бактерія набула нових властивостей. Водночас її зріст і розмноження можна швидко придушити, просто відібравши у неї потрібну амінокислоту.
Тепер же таких звільнених кодонів у нас на руках цілих сім, і це не межа - дослідники вичерпали не всю надмірність коду. Тобто перед нами відкриваються нові перспективи у створенні синтетичних організмів і молекул з заданими властивостями. Нафантазувати тут можна що завгодно: уявімо, наприклад, білки, у яких з'явиться здатність пов'язувати якісь незвичайні метали, або ферменти, які будуть включатися тільки в присутності якогось сигналу, наприклад, ракової клітини, і т. д. Зрештою, можна створювати штами бактерій, які будуть «на замовлення» розкладати нафту і пластмаси; причому такі штами можна буде легко тримати під контролем, не боячись, що вони «захоплять мир».
Однак слід пам'ятати, що при всіх досягненнях генної інженерії та іншої біотехнології, подібні процедури все ще вимагають масу часу і праці, так що передбачити, коли саме редагування коду стане рутинною процедурою, не візьметься ніхто.
За матеріалами Science.