18.10.2013

Триплету генетического кода присвоили новое значение

Многолетняя работа по редактированию генетического кода у бактерии закончилась успешно: одному из бактериальных стоп-кодонов присвоили искусственную аминокислоту и заставили бактерию синтезировать с ней белки.

Около двух лет назад группа исследователей из Гарварда, Йеля и Массачусетского технологического института (все — США) добилась удивительного: учёные сумели создать в генетическом словаре кишечной палочки свободное слово-триплет. То есть в геноме бактерии появилась комбинация из трёх нуклеотидов, которой не соответствовала ни одна из аминокислот, участвующих в биосинтезе. Этому слову-триплету можно было присвоить любое значение, то есть сопоставить его с какой-нибудь другой, искусственной аминокислотой. Как пишут исследователи в своей новой статье, появившейся в Science, им удалось и это.

Напомним: в генетическом словаре кодирующих триплетов значительно больше, чем аминокислот, то есть на одну аминокислоту приходится несколько нуклеотидных «слов»; даже стоп-кодонов, которые сигнализируют рибосоме об остановке синтеза полипептида, в генетическом словаре целых три. Эти кодоны — TAG, TAA и TGA (или UAG, UAA и UGA, если мы имеем дело с РНК, где тимин заменён на урацил). Два года назад Фаррену Айзексу (Farren Isaacs) удалось заменить все ТAG на ТAA; кроме того, учёные отключили белок, который на этом стоп-сигнале соединялся с рибосомой и останавливал её работу. Таким образом, TAG стал ничего не значащим: его не было в ДНК/РНК, а если бы и был, никакого «стопа» на нём не произошло бы, так как белок, обслуживающий этот кодон, тоже не работал.

Затем стартовала работа по присвоению освободившемуся кодону нового значения, то есть новой аминокислоты. Набор аминокислот не ограничивается теми двумя десятками, что участвуют в биосинтезе, и учёные выбрали для освободившегося кодона «искусственную» аминокислоту, которой не было в бактерии.

Посредником-дешифровщиком между триплетом в РНК и аминокислотами служит транспортная РНК: одним своим концом, грубо говоря, она соединяется с мРНК, а на другом болтается аминокислота. тРНК специфична одновременно по отношению к кодону и к аминокислоте; если триплет в мРНК не соответствует, не комплементарен триплету на распознавательном участке тРНК, то последняя просто покидает рибосому вместе с аминокислотой.

Но тРНК сама не может поймать свою аминокислоту, тут ей нужна помощь аминоацил-тРНК-синтетаз, которые опять же следят, чтобы аминокислоты присоединялись именно к своим тРНК. В общем, понятно, что за колоссальная задача стояла перед учёными: им требовалось сконструировать тРНК, которая распознавала бы бывший стоп-кодон UAG и соединялась бы с выбранной аминокислотой, а ещё нужно было создать такую аминоацил-тРНК-синтетазу, которая присоединяла бы эту аминокислоту к новой тРНК.

И всё это было сделано (хотя пришлось перебрать множество аминокислот, прежде чем нашли ту, с которой могли работать синтетаза, тРНК и рибосома): гены аминоацил-тРНК-синтетазы и тРНК вставлены в геном бактерий, а в среду добавлена нужная аминокислота. Бывший стоп-кодон был вшит в некоторые собственные гены кишечной палочки, и в результате получилась бактерия, которая синтезировала белки, согласно отредактированному коду.

Структурная модель бактериальной рибосомы; синим показана большая субъединица, жёлтым — малая, коричневым, красным и зелёным — молекулы тРНК в трёх сайтах связывания рибосомы. (Илл. Studio Jonas Coersmeier.)

Бактерия, по словам учёных, устойчива к бактериофагу Т7, которым её пытались заразить, — что понятно, ведь у бактериофага кодон UAG в мРНК означал по-прежнему «стоп», а бактерия на этом месте вставляла аминокислоту, биосинтез продолжался, и в результате у вируса получался какой-то совсем безумный белок. То есть благодаря редакции кода бактерия не просто выжила, но и приобрела новые свойства.

С практической точки зрения перспективы такого редактирования кода просто огромны. Можно создавать белки, у которых благодаря новым аминокислотам появится способность связывать металлы, или ферменты, кои будут включаться только при каком-то сигнале — к примеру, раковой клетки, и т. п.

В конце концов, можно получить штаммы бактерий, которые будут «по заказу» разлагать нефть и пластмассы; при этом такие штаммы можно будет легко держать под контролем, не боясь, что они «захватят мир». Правда, чтобы это светлое будущее наступило, нужно, вероятно, как-то упростить — и удешевить — метод редактирования кода.

Подготовлено по материалам Йельского университета. Фото на заставке принадлежит Shutterstock.

Кирилл Стасевич

Источники:

1. compulenta.computerra.ru