Два генетических кода: революция в синтетической биологии

Изменение генетического кода стало немного проще благодаря новым исследованиям, которые открывают возможности для синтетической биологии. Генетический код — это универсальный механизм, используемый всеми живыми организмами для преобразования информации, содержащейся в ДНК, в специфические последовательности белков. С небольшими вариациями этот код присутствует у всех живых существ на Земле, что указывает на его наличие у последнего общего предка всех организмов. Изменить его непросто, поскольку многие процессы в клетках зависят от его стабильности. Тем не менее, исследователи уже сделали первые шаги в этом направлении.

Прогресс в изменении генетического кода

В недавних экспериментах ученые смогли добавить новые аминокислоты в бактериальные клетки и создать белки, состоящие на одну аминокислоту меньше, чем обычно. Однако этот процесс требует значительных усилий: в некоторых случаях исследователям приходилось перерабатывать каждую генетическую единицу в бактериальном геноме. Теперь же команда ученых нашла способ работать с двумя отдельными генетическими кодами одновременно, что позволяет избежать необходимости модифицировать тот код, на который полагаются все белки в клетке. Хотя эксперименты еще не проводились в живых клетках и могут вызвать определенные проблемы, это решение обещает ускорить работу в области синтетической биологии.

Основы биологии

Чтобы понять, как это работает, необходимо вернуться к основам молекулярной биологии. В геноме часть каждого гена отвечает за кодирование белка. Линейная последовательность оснований в ДНК напрямую переводится в линейную последовательность аминокислот, из которых состоит белок. Каждая тройка оснований в ДНК соответствует определенной аминокислоте, за исключением трех, которые сигнализируют о завершении синтеза белка. Этот процесс не является прямым: сначала ДНК копируется в мРНК, а затем комплекс белков и РНК, называемый рибосомой, присоединяется к мРНК и начинает переводить ее, добавляя аминокислоты одну за другой.

Роль транспортной РНК

Перевод зависит от другого типа РНК — транспортной РНК (тРНК). Транспортные РНК имеют сложную структуру и состоят из двух ключевых частей: с одной стороны они имеют тройку оснований, которая может связываться с мРНК, а с другой стороны — химически связаны с соответствующей аминокислотой. Рибосома обеспечивает правильное связывание тРНК, а затем передает аминокислоту в растущую цепь белка. Важным аспектом этой системы являются ферменты, которые химически связывают тРНК с правильной аминокислотой. Эти ферменты должны распознавать как тройку оснований на тРНК, так и соответствующую аминокислоту. Чтобы внести изменения в генетический код, необходимо модифицировать последовательности генов, тРНК и/или ферментов, которые их заряжают. Однако рибосома при этом не требует изменений.

Новый подход к синтетической биологии

Исследования, проведенные группой под руководством синтетического биолога Джорджа Чёрча, направлены на изучение альтернативных генетических кодов. В своей работе команда сосредоточилась на разработке автоматизированных систем, которые могут упростить тестирование и отбор. Однако ключевое открытие заключается в том, что рибосома важна, но не так, как можно было бы ожидать. Некоторые части рибосомной РНК связываются с определенной группой оснований на тРНК, обеспечивая работу с правильным типом РНК. Хотя это критически важно с биохимической точки зрения, практически это не имеет значения, поскольку каждая тРНК имеет одинаковую последовательность в этом месте.

Два генетических кода в действии

Исследователи задумались: что если изменить последовательность в одном из этих мест? Это нарушит обычное связывание, но можно будет внести изменения в другое место, чтобы восстановить его. В теории, это позволит создать две популяции тРНК, которые будут отличаться только по этой небольшой последовательности. Одна из них сможет взаимодействовать только с обычными рибосомами, а другая — с рибосомами, сконструированными для работы с модифицированной РНК. Команда разработала новый метод, который позволил ответить на вопрос о возможности зарядки тРНК после модификации этой последовательности. Это требовало применения "безклеточного перевода, робототехники, секвенирования следующего поколения и аналитической химии".

Результаты экспериментов

В результате экспериментов исследователи подтвердили, что модифицированные тРНК игнорируются обычными рибосомами. Однако, если использовать рибосомы с соответствующими изменениями, они успешно синтезируют белки, используя эти тРНК. Таким образом, у исследователей появились две разные популяции тРНК, каждая из которых совместима с определенной популяцией рибосом. Они разработали отдельный генетический код и использовали альтернативные тРНК для его реализации. Затем была создана мРНК, которая могла быть переведена обоими генетическими кодами, но производила разные белки в зависимости от используемого кода. В итоге была собрана смесь обеих популяций тРНК, рибосом и всех необходимых химических веществ, и в результате были получены два разных белка.

Перспективы и вызовы

Это открытие может оказаться практически полезным, так как изменение генетического кода является сложной задачей, от которой зависит функционирование всех белков в клетке. Если основной код продолжает работать, пока вы экспериментируете с вторым, это может значительно упростить работу исследователей. Однако стоит отметить, что эксперименты проводились только в смеси белков и химических веществ, изолированных от клеток. В реальных клетках это может вызвать проблемы, так как альтернативная рибосома будет пытаться переводить любые мРНК, с которыми она столкнется, используя неправильный генетический код, что может привести к образованию недоразвитых или неправильно сформированных белков. Эти белки могут нарушить нормальные процессы и даже привести к гибели клетки. Хотя решение этой проблемы пока не очевидно, открытие о возможности параллельной работы двух генетических кодов открывает новые горизонты для синтетической биологии.