Οι ερευνητές έχουν επαναπροσδιορίσει τα γονίδια Escherichia coli για να τα καταστήσουν ανθεκτικά στους ιούς

Πολλά από τα βασικά χαρακτηριστικά της ζωής δεν πρέπει απαραίτητα να είναι αυτό που είναι. Η ευκαιρία παίζει σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη, και υπάρχουν πάντα εναλλακτικές διαδρομές που δεν έχουν εξερευνηθεί ποτέ, απλώς και μόνο επειδή ό, τι προηγουμένως αναπτύχθηκε ήταν αρκετά καλό. Ένα παράδειγμα αυτής της ιδέας είναι ο γενετικός κώδικας, ο οποίος μετατρέπει τις πληροφορίες που μεταφέρει το DNA μας σε μια συγκεκριμένη αλληλουχία αμινοξέων που αποτελούν πρωτεΐνες. Υπάρχουν δεκάδες πιθανά αμινοξέα, πολλά από τα οποία μπορούν να σχηματιστούν αυθόρμητα, αλλά η περισσότερη ζωή χρησιμοποιεί έναν γενετικό κώδικα βασισμένο σε μόλις 20 από αυτά.

Τις δύο τελευταίες δεκαετίες, οι επιστήμονες έχουν δείξει ότι δεν πρέπει να είναι έτσι. Εάν παρέχετε στα βακτήρια το κατάλληλο ένζυμο και ένα εναλλακτικό αμινοξύ, μπορούν να το χρησιμοποιήσουν. Αλλά τα βακτήρια δεν θα χρησιμοποιήσουν το ένζυμο και τα αμινοξέα πολύ αποτελεσματικά, καθώς όλες οι τρύπες στον γενετικό κώδικα χρησιμοποιούνται ήδη.

Σε μια νέα εργασία, οι ερευνητές μπόρεσαν να τροποποιήσουν τον γενετικό κώδικα των βακτηρίων για να ξεκλειδώσουν κάποια νέα ανοίγματα. Στη συνέχεια γέμισαν αυτές τις τρύπες με αφύσικα αμινοξέα, επιτρέποντας στα βακτήρια να παράγουν πρωτεΐνες που δεν θα υπήρχαν ποτέ στη φύση. Μια παρενέργεια του επαναπρογραμματισμού; Οι ιοί δεν μπορούν να αναπαραχθούν σε τροποποιημένα βακτήρια.

χάνεται στη μετάφραση

Ο γενετικός κώδικας ασχολείται με τη μετάφραση, κατά την οποία οι πληροφορίες που κωδικοποιούνται στο DNA μετατρέπονται σε λειτουργική πρωτεΐνη. Το κλειδί αυτής της διαδικασίας είναι μια ομάδα μικρών μορίων RNA που ονομάζονται RNA μεταφοράς (ή RNA). Τα μεταγραμμένα RNA περιέχουν ένα μικρό κομμάτι τριών βάσεων που μπορεί να ταιριάζει με το ζεύγος βάσεων, με τις πληροφορίες που μεταφέρονται από το DNA. Το RNA μπορεί επίσης να συνδέεται χημικά με ένα συγκεκριμένο αμινοξύ σε μια διαδικασία που καταλύεται από συγκεκριμένα ένζυμα.

Αυτός ο συνδυασμός – τρεις συγκεκριμένες βάσεις σε συνδυασμό με ένα συγκεκριμένο αμινοξύ – είναι το κλειδί της μετάφρασης, δηλαδή, η αντιστοίχιση των βάσεων DNA με ένα συγκεκριμένο αμινοξύ.

Ένα κωδικόνιο τριών βάσεων και τεσσάρων πιθανών βάσεων (A, T, C και G) οδηγεί σε 64 πιθανούς συνδυασμούς τριών βάσεων, που ονομάζονται κωδικόνια. Τρία από αυτά τα κωδικόνια πρέπει να απενεργοποιήσουν τα σήματα μετάφρασης όταν φτάσει το τέλος της αλληλουχίας κωδικοποίησης πρωτεΐνης. Αυτό αφήνει 61 κωδικόνια για μόνο 20 αμινοξέα. Ως αποτέλεσμα, ορισμένα αμινοξέα κωδικοποιούνται από δύο, τέσσερα ή ακόμη και έξι διαφορετικά κωδικόνια.

Αυτή η απόλυση στον κώδικα είναι αυτό που στοχεύει η ερευνητική ομάδα – που εδρεύει στο Cambridge του Ηνωμένου Βασιλείου. Πριν από λίγα χρόνια, ερευνητές πλήρης επεξεργασία βακτήρια coli γονιδίωμα Ακόμη και ορισμένα πλεονάζοντα κωδικόνια απελευθερώνονται. Η ερευνητική ομάδα επεξεργάστηκε όλες τις εμφανίσεις ενός από τα τρία κωδικόνια στάσης σε ένα από τα άλλα κωδικόνια, έτσι ώστε να μην υπάρχουν άλλες περιπτώσεις σε ολόκληρο το γονιδίωμα. Αντί να το χρησιμοποιήσει για κάτι, το κωδικόνιο επεξεργάστηκε για να τον επαναπροσδιορίσει.

Οι ερευνητές πραγματοποίησαν παρόμοια πειράματα με κωδικόνια για τη σερίνη αμινοξέων. Αντί να αφήσει έξι κωδικόνια λέγοντας “σερίνη”, η ομάδα τροποποίησε το σύνολο σε μόλις τέσσερα αλλάζοντας κάθε κατάσταση των δύο που στοχεύουν σε διαφορετικό κωδικόνιο σερίνης.

(Αυτό μπορεί να ακούγεται απλό, αλλά ακόμη και ένα μικρό γονιδίωμα Escherichia coli Έχει χιλιάδες από αυτά τα κωδικόνια απλωμένα σε εκατομμύρια ζεύγη βάσεων. Η επεξεργασία του γενετικού κώδικα είναι από μόνη της ένα εντυπωσιακό τεχνικό επίτευγμα.)

ανεκτική στην αλλαγή

Ενώ τα βακτήρια δεν χρησιμοποίησαν τα τρία τροποποιημένα κωδικόνια, μπορούσαν ακόμη. Όλα τα κομμάτια που χρειάζονταν για τη χρήση των κωδικονίων – τα RNA φορέα, τα ένζυμα που δεσμεύουν τα αμινοξέα σε αυτά, κ.λπ. – ήταν ακόμη εκεί. Για λόγους που δεν είναι απολύτως σαφείς, τα τροποποιημένα βακτήρια δεν ήταν ιδιαίτερα υγιή και αναπτύχθηκαν πιο αργά από την μη επεξεργασμένη πηγή τους.

Προκειμένου να συνεχίσουν το έργο τους, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια πίεση για να φέρουν καλύτερα τον τροποποιημένο γενετικό κώδικα. Εκτέλεσαν τα βακτηρίδια στα μεταλλαξιογόνα και στη συνέχεια μεγάλωσαν πολλά δείγματα χρησιμοποιώντας ένα αυτοματοποιημένο σύστημα που καθορίζει πότε το δείγμα αναπτύσσεται καλά και συνέχισε να παρέχει το δείγμα με φρέσκα τρόφιμα. (Τα ταχέως αναπτυσσόμενα βακτήρια γίνονται θολά, γεγονός που τους επιτρέπει να ταυτοποιηθούν.) Μετά από μερικούς γύρους αιχμών, αποκαταστάθηκε η σχεδόν φυσιολογική ανάπτυξη.

Σε αυτό το σημείο, οι ερευνητές επέστρεψαν και διέγραψαν τα γονίδια για μεταφορά RNA και τα ένζυμα που επέτρεψαν τη λειτουργία των τριών τροποποιημένων κωδικονίων τους. Με αυτές τις αλλαγές, δεν ήταν ότι τα κωδικόνια δεν χρησιμοποιούνται πλέον – δεν μπορούσαν πλέον να χρησιμοποιηθούν.

Και πάλι, αυτό το πρόβλημα επιβράδυνε την ανάπτυξη βακτηριδίων, αν και δεν είναι σαφές γιατί – είτε κάποια από τα διαγραμμένα γονίδια είχαν άλλες λειτουργίες είτε υπήρχαν περιπτώσεις κωδικονίων που οι ερευνητές έχασαν κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας. Ανεξάρτητα, μετέβαλαν ξανά τα βακτήρια και επέλεξαν ένα στέλεχος στο οποίο αποκαταστάθηκε μεγάλο μέρος της ανάπτυξης. Μέχρι τη στιγμή που όλα έγιναν, οι επιστήμονες είχαν ένα στέλεχος που μεγάλωσε περίπου το μισό από όσο μεγάλωσε φυσικά βακτήρια coli. Έχουν επίσης τρεις εντελώς αχρησιμοποίητους κωδικούς.

(Για παράδειγμα, η ομάδα έλαβε επίσης την ακολουθία του γονιδιώματος αυτού του τελικού στελέχους για να δει ποιες μεταλλάξεις συνέβησαν κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας. Παρόλο που εντοπίστηκαν οι πολλές διαφορές, δεν ήταν σαφές ότι καμία από αυτές συνδέεται με την ικανότητα ανάπτυξης με το τροποποιημένο γενετικό Το εργαστήριο δεν. Είναι αμφίβολο ότι έκτοτε ανέθεσε σε μερικούς μεταπτυχιακούς φοιτητές να ανακαλύψουν αυτό το μυστήριο.)

Νέος κωδικός, ποιος dis;

Για να διασφαλιστεί ότι τα τρία αχρησιμοποίητα κωδικόνια ήταν σπασμένα, οι ερευνητές τα μολύνθηκαν με ιούς. Οι πρωτεΐνες που κωδικοποιούνται από αυτούς τους ιούς συνήθως περιλαμβάνουν αχρησιμοποίητα κωδικόνια, οπότε αυτή η μέθοδος παρέχει μια δοκιμή για το κατά πόσον η χρήση κωδικονίων έχει πραγματικά εξαλειφθεί.

Τα βακτήρια πέρασαν το τεστ. Κανένας ιός δεν μπορούσε να αναπτυχθεί σε κωδικόνια, ακόμη και όταν ένα μείγμα πέντε διαφορετικών ιών απορρίφθηκε ταυτόχρονα στην καλλιέργεια. Ήταν σαφές ότι σε αυτό το στέλεχος, αυτά τα κωδικόνια απλά δεν μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν.

Αυτό ήθελαν καταρχάς οι ερευνητές (είναι δίκαιο να πούμε ότι δεν θέλησαν να κάνουν αντιιικά βακτήρια). Μπορούν τώρα να αρχίσουν να χρησιμοποιούν τα τρία κωδικόνια των αμινοξέων που η ζωή στη Γη δεν χρησιμοποιεί κανονικά.

Οι ερευνητές παρείχαν στα βακτήρια ορισμένα μη φυσικά αμινοξέα, μαζί με γονίδια για τη μεταφορά RNA για τη σύνδεση αμινοξέων και του ενζύμου που θα έκανε τη δέσμευση. Στη συνέχεια άρχισαν να εισάγουν το γονίδιο για μια μη βακτηριακή πρωτεΐνη που θα μπορούσε να μεταφραστεί μόνο χρησιμοποιώντας τα κωδικόνια που επαναπροσδιόρισαν και επιβεβαίωσαν ότι η πρωτεΐνη είχε συντεθεί και περιείχε αυτά τα αφύσικα αμινοξέα. Η ομάδα έφτιαξε ακόμη και μια έκδοση που περιελάμβανε τρία διαφορετικά συνθετικά αμινοξέα, δείχνοντας ότι είχαν ήδη επεκτείνει τον γενετικό κώδικα.

Οι ερευνητές κατάφεραν επίσης να δημιουργήσουν στελέχη που χρησιμοποιούν ένα διαφορετικό σύνολο τριών συνθετικών αμινοξέων. Είναι επομένως δυνατόν να σχηματιστεί μια μεγάλη ποικιλία στελεχών, καθένα από τα οποία προορίζεται να χρησιμοποιήσει ένα διαφορετικό σύνολο συνθετικών αμινοξέων.

Ενδιαφέρουσα χημεία πολυμερών

Οι συγγραφείς δεν συνέχισαν να δείχνουν κάτι πρακτικό, αλλά υπάρχουν πολλές πιθανές χρήσεις για την έρευνα. Τα συνθετικά αμινοξέα μπορούν να καταλύσουν αντιδράσεις που δεν είναι δυνατές ή αποτελεσματικές με την κανονική ομάδα των 20. Δεν χρειάζεται απαραίτητα να σχεδιάσουμε ένα ένζυμο που ενσωματώνει τα νέα αμινοξέα. Εναλλακτικά, θα μπορούσαμε απλώς να προσπαθήσουμε να αναπτύξουμε τη λειτουργία σε στελέχη με έναν εκτεταμένο γενετικό κώδικα.

Υπάρχει επίσης δυνατότητα για κάποια ενδιαφέρουσα χημεία πολυμερών. Στις χημικές αντιδράσεις που απαρτίζουν τα περισσότερα πολυμερή, συνήθως χρησιμοποιούμε μόνο έναν τύπο υπομονάδας πολυμερούς, αφού δεν μπορείτε να ελέγξετε τι σχετίζεται με το τι συμβαίνει. Αλλά οι πρωτεΐνες σάς επιτρέπουν να δημιουργήσετε μια αλυσίδα πολυμερούς με πλήρη έλεγχο της διάταξης κάθε υπομονάδας, επειδή μπορείτε να καθορίσετε τη διάταξη των αμινοξέων. Μέσω του εκτεταμένου γενετικού κώδικα, μπορούμε να ελέγξουμε σε επίπεδο μορίων το σχηματισμό πολυμερών.

Science, 2021. DOI: 10.1126 / Επιστήμη. abg3029 (Σχετικά με τα DOI).