Это можно назвать генетическим брандмауэром. Частично переписав генетический код бактерий, две группы исследователей обнаружили, что они могут помешать вторгшимся фагам, которые должны захватить генетический механизм микробов для репликации.
Стратегия, описанная вчера в журнале Science и в препринте, опубликованном в июле, может защитить бактерии, производящие лекарственные препараты, от вирусных атак и не дать потенциально опасным генам вырваться из генетически модифицированных организмов. "Это важные шаги вперед", - говорит биолог-синтетик Нед Будиса из Университета Манитобы, который не принимал участия в исследовании. "Обе работы имеют большие технологические перспективы".
Почти все живые существа используют один и тот же генетический код. Различные последовательности из трех нуклеотидов ДНК, называемые кодонами, указывают клетке, какую аминокислоту куда вставлять в белок. Так называемые транспортные РНК, или тРНК, считывают кодоны и действуют в соответствии с их инструкциями. Каждый тип тРНК несет определенную аминокислоту, которую он добавляет к растущему белку только тогда, когда узнает правильный кодон. Клетки также несут три вида стоп-кодонов, которые указывают им, когда прекратить производство белка.
Поскольку организмы пользуются общим языком генетического программирования, они могут приобретать новые способности, приобретая гены у других организмов. Общий язык также позволяет исследователям вставлять человеческие гены в бактерии, заставляя клетки производить такие лекарства, как инсулин. Однако универсальный генетический код делает клетки уязвимыми для вторжения вирусов и плазмид - фрагментов ДНК, которые размножаются внутри бактерий и могут передавать гены между ними.
В течение многих лет исследователи пытались блокировать этот трафик. В 2013 году биолог-синтетик Джордж Черч из Гарвардской медицинской школы и его коллеги генетически модифицировали Escherichia coli, заменив один из ее стоп-кодонов на другую версию. Они изменили тРНК бактерии таким образом, что когда она считывала оригинальный стоп-кодон - например, в геноме вторгшегося вируса - она устанавливала неподходящую аминокислоту, которая разрушала вирусный белок. Модифицированный микроорганизм мог спокойно синтезировать свои собственные белки, но был устойчив к нескольким видам вирусов и плазмидам.
В прошлом году биолог-синтетик Джейсон Чин из Кембриджского университета и его коллеги пошли еще дальше. Они заменили тот же стоп-кодон в кишечной палочке, но добавили еще один уровень защиты. Они заменили два кодона аминокислоты серина в геноме микроба двумя разными кодонами серина. Затем они удалили тРНК, которые распознавали исходные кодоны серина. Модифицированный штамм бактерий, получивший название Syn61Δ3, не мог считывать два сериновых кодона, встречающихся у бактериофагов, что помогло ему уберечься от них. Тем не менее, Syn61Δ3 не является непобедимым. Группа под руководством Черча показала, что он восприимчив к 12 типам вирусов, выделенных из различных источников, включая свиной навоз и куриный помет. Поэтому Чин и его коллеги добавили новые средства защиты. Они разработали тРНК, которые активно разрушают вирусные белки, поставляя неправильные аминокислоты - в том числе пролин и аланин - в ответ на чужие кодоны серина.
Группа протестировала свой улучшенный Syn61Δ3, подвергнув его воздействию пары вирусов, выловленных из реки Кэм в Кембридже. Оба вируса убили оригинальный Syn61Δ3, но пощадили усовершенствованные версии, сообщили ученые. Они также показали, что хотя улучшенные клетки Syn61Δ3 могут обмениваться плазмидами, разработанными для использования их измененного генетического кода, они не могут делиться плазмидами с другими бактериями.
"Мы создали форму жизни, которая не считывает канонический генетический код и записывает свою генетическую информацию в форме, которая не может быть прочитана другими организмами", - заявляет Чин.
Группа Черча придерживалась аналогичной стратегии. Исследователи наделили Syn61Δ3 модифицированными тРНК, которые неправильно считывали два сериновых кодона, переносимых вторгающимися вирусами, вставляя лейцин вместо серина. По сравнению с оригинальным Syn61Δ3, измененные микробы стали более резистентными к 12 вирусам, которые ученые извлекли из образцов окружающей среды, сообщила группа в июле. В статье "показан способ сделать любой организм устойчивым ко всем вирусам - и всего за один шаг", - говорит Черч. (Команда также убедилась, что микробам требуется аминокислота, которая не встречается в природе, что гарантирует, что они не смогут выжить, если попадут во внешнюю среду).
Такая перекодировка может помочь предотвратить вирусные вспышки на производствах, где бактерии используются для изготовления лекарственных препаратов и других продуктов. А перекодируя генетически модифицированные организмы, исследователи могут предотвратить приобретение их ДНК другими организмами. Бактерии также могут помочь биологам изучить эволюцию самого генетического кода, утверждает специалист по синтетической биологии Чанг Лю из Калифорнийского университета. Теперь исследователи могут "спросить, почему генетический код такой, какой он есть".
Черч считает, что вирусы вряд ли смогут разработать стратегии, позволяющие обойти эту защиту, поскольку она включает в себя более 200 000 изменений в геноме микробов. А биолог-синтетик Дрю Энди из Стэнфордского университета говорит, что исследователи заслуживают похвалы за строгость, с которой они проверяли вирусную сопротивляемость бактерий. По его словам, "одна из самых прекрасных вещей, которую они здесь сделали, - это то, что они вышли в дикую природу, чтобы найти вирусы".
Тем не менее, он и другие ученые не уверены, что бактерии генетически изолированы от других живых существ. "Нам все еще нужно быть очень осторожными", - говорит Будиса. "Я не могу сунуть руку в огонь и сказать: "Это идеальный брандмауэр"". Энди соглашается. "Это гонка вооружений между человеческой изобретательностью и природным биоразнообразием", - говорит он, - "и мы не знаем, как долго она еще продлится".
