Микроорганизмы являются ценными производственными инструментами.
Некоторые биотехнологические отрасли широко используют E. coli для производственных систем, поэтому ученые давно экспериментируют с геномом бактерии, чтобы сделать ее более продуктивной. Однако угроза заражения бактериофагами и перенос нежелательного генетического материала между организмами представляют собой тяжелое осложнение, поскольку могут остановить производство из-за угрозы безопасности и появления бракованных продуктов.
В связи с этим исследователи потратили годы на доработку кишечной палочки в надежде создать лучшие, более безопасные производственные инструменты и расширить спектр применения и коммерческий потенциал синтетических организмов. И вот наконец, в исследовании, опубликованном 15 марта в журнале Nature, ученые из Гарвардской медицинской школы сообщают о новом штамме E. coli, который может противостоять вирусным инфекциям, но не способен высвобождать свои измененные гены в дикой природе, что снижает риск попадания измененного генетического материала в природные клетки.
Для создания нового штамма кишечной палочки, получившего название Ec_Syn61?3-SL, авторы начали с синтетической бактерии Syn61?3, созданной британскими исследователями в 2021 году, которая имеет уменьшенное количество кодонов - трехнуклеотидных последовательностей в ДНК, соответствующих определенной аминокислоте. Вместо естественных 64 кодонов у нее только 61, поскольку из ее генома были исключены три специфических кодона: два кодируют аминокислоту серин, а другой предписывает прекратить сборку белка. Кроме того, британская группа также удалила из генома бактерии молекулы транспортной РНК (тРНК), которые соответствуют этим кодонам. Поскольку тРНК отвечают за включение аминокислот в растущую белковую цепь, бактериофаги, заразившие бактерию с урезанным набором кодонов, обнаружили бы, что ее клеточный механизм поврежден и не способен поддерживать репликацию вируса, в то время как бактерия все еще могла использовать 61 кодон для производства всех необходимых для жизни белков.
Однако на Земле существует невероятное разнообразие бактериофагов. "Бактериальные вирусы встречаются повсюду: в реках, на нашей обуви, в наших скверах", - объясняет исследователь Гарвардского университета Акос Ньергес, соавтор новой статьи. Поэтому Найергес и его коллеги решили проверить, насколько хорошо штамм 2021 года способен противостоять различным типам вирусов. Команда инфицировала штамм Syn61?3 вирусами, выделенными из различных образцов окружающей среды, и нашла группу, которая все же смогла его заразить. Охарактеризовав геномный материал успешных вирусов, они обнаружили, что все вирусы несут свою собственную тРНК, что позволило им легко преодолеть генетическое ограничение синтетической бактерии. Поскольку исходный штамм все еще сохранял определенную восприимчивость к некоторым бактериофагам, исследователи решили поработать с вирусными тРНК, чтобы сделать синтетическую кишечную палочку недоступной и для этих бактериофагов.
"Мы подумали, что если вирусы умеют преодолевать эти барьеры, то мы можем использовать их способности для создания искусственного генетического кода", - рассказал Найергес.
Чтобы создать новую версию штамма E. coli, способную противостоять даже таким успешным бактериофагам, Найергес и коллеги добавили в геномный материал бактерии тРНК-трикстеры: они были получены из собственных тРНК вирусов, но модифицированы таким образом, чтобы при считывании вирусного генома они добавляли лейцин вместо серина. И серин, и лейцин встречаются в природе, но имеют очень разный состав и свойства. Это означает, что когда эти вирусы заражают новый штамм Ec_Syn61?3-SL, бактерии обеспечивают их необходимыми тРНК, но в конечном итоге производят нефункциональные белки. Этот метод создал уникальный генетический барьер между синтетическими бактериями и каждым бактериофагом. Ни один из протестированных вирусов не смог преодолеть этот молекулярный барьер и заразить сконструированные клетки.
Однако бактерия, не имеющая хищных бактериофагов, имела бы большое эволюционное преимущество, поэтому исследователи добавили встроенные меры безопасности, чтобы не дать ей процветать в окружающей среде в случае ее попадания в природу. Группа вставила кодон для ненатуральной аминокислоты дифенилаланина в последовательность бактериального белка, необходимого для роста, что сделало новый штамм зависимым от дифенилаланина. Следовательно рост синтетической E. coli ограничен средой в которой содержится эта неестественная аминокислота, что предотвращает утечку синтетической генетической информации в дикую природу, утверждает Найергес. Хотя нельзя исключить существование фага, который может заразить синтетическую бактерию где-нибудь в биоме Земли, "сомнительно, что ... вирусы смогут адаптироваться к синтетическому генетическому материалу", - считает Ньергес.
"Эта работа добавила дополнительные меры по созданию биоконтейнеров, создав более надежную и самодостаточную систему", - говорит Роб Лавинь, исследователь из Университета Лёвена, не принимавший участия в работе. Он добавляет, что методы, использованные для создания новой кишечной палочки, могут оказаться полезными и для других целей, например, для создания полностью синтетического генома для более сложных организмов. В этой связи будущие исследования в области бактериальной биотехнологии направлены на создание штаммов с добавлением дополнительных кодонов, что даст ученым больше возможностей для манипулирования их биологией.
"В данной работе представлена новая концепция, которая открывает путь для будущих применений помимо E. coli. Однако эта концепция нуждается в дальнейшей проверке и специальных решениях", - отмечает Лавинь.
