Mokslininkai perprogramavo bakterijas, kad jos būtų atsparios virusams: kaip jiems tai pavyko ir, kodėl tai puiki žinia?

Padaryti bakterijas atsparias virusinei infekcijai galėtų būti naudinga kuriant vaistus, nes, pavyzdžiui, tokie vaistai kaip insulinas ir kai kurios vakcinų sudedamosios dalys auginamos bakterijose.

Būtent tai mokslininkai stengiasi padaryti. Paskutinio tyrimo metu sujungdami DNR blokus mokslininkai sukūrė sintetinį bakterijos genomą, kurio dėka bakterija tampa atspari virusinei infekcijai.

Genomų kūrimas nuo nulio

Kad sukurtų programuojamas žarnines lazdeles (Escherichia coli) komanda pasinaudojo genetinės informacijos vertimo į baltymus procesu.

Kaip ir žmogaus DNR, E. coli chromosomose yra keturios bazės: adeninas (A), timinas (T), citozinas (C) ir guaninas (G). Trijų bazių rinkinys, pavyzdžiui, TCG arba AGC, vadinamas kodonu, o kiekvienas kodonas atitinka vieną aminorūgštį, arba baltymo sudedamąją dalį. Be to, kai kurie kodonai nurodo ląstelei, kada nutraukti baltymo kūrimą; jie vadinami „stop kodonais“.

Kai ląstelei reikia sukurti tam tikrą baltymą, fermentas nukopijuoja visus atitinkamus to baltymo kodonus ir išsaugo šią informaciją naujoje molekulėje, vadinamoje pasiuntinių RNR (mRNA). Tada mRNR siunčiama į ląstelės baltymų gamybos fabriką - ribosomą, kur kita molekulė, vadinama perkėlimo RNR (tRNR), perskaito šias nukopijuotas instrukcijas. Tada tRNA paima visas aminorūgštis, reikalingas norimam baltymui sukurti, iki pat stop kodono.

DNR bazės gali būti išdėstytos 64 skirtingais trijų bazių kodonais, iš kurių trys yra stop kodonai. Tačiau ląstelės iš tikrųjų turi tik 20 aminorūgščių, o tai reiškia, kad tos pačios aminorūgštys koduojamos keliais skirtingais kodonais.

„Genetiniame kode yra toks vidinis perteklius, kai turime 64 kodonus, bet tik 20 statybinių blokų“, - sakė Wesley Robertsonas, MRC Molekulinės biologijos laboratorijos (MRC-LMB) Jungtinėje Karalystėje sintetinės biologijos podoktorantūros tyrėjas. Robertsonas ir jo kolegos svarstė, ar, pakeitę perteklinius kodonus jų „sinonimais“, jie galėtų perskirstyti kai kuriuos iš šių perteklinių kodonų, kad jie koduotų naujas aminorūgštis, nesunaikindami ląstelės.

Genomų karpymas

Ankstesniame tyrime, 2019 m. paskelbtame žurnale „Nature“, komanda įveikė pirmąją šio iššūkio kliūtį, sukūrusi naują E. coli padermę su sutrumpintu genomu.

Jie tai padarė naudodami metodą, vadinamą „replikos iškirpimu, skirtu patobulintai genomo inžinerijai per programuojamą rekombinaciją“, arba trumpiau - REXER. REXER gali iškirpti dideles E. coli genomo dalis vienu žingsniu ir pakeisti iškirptą dalį sintetine DNR, kuri šiuo atveju vietoj TCG ir TCA panaudojo AGC ir AGT. Šį procesą galima taikyti palaipsniui, mažinant genomą taip, kad dalis po dalies būtų pakeista sintetine DNR.

Tačiau pagrindinis tyrimo tikslas buvo perprogramuoti išlaisvintus kodonus, kad būtų sukurti nauji baltymai. Tam komanda sukūrė tRNA molekules, kurios buvo suporuotos su nenatūraliomis jų pačių sukurtomis aminorūgštimis; šios tRNA buvo užprogramuotos atpažinti TCG, TCA ir TAG kodonus, kurių dabar trūksta modifikuotoje E. coli padermėje. Komanda iš naujo įvedė trūkstamus kodonus, patalpindama juos mažose DNR kilpose, vadinamose plazmidėmis, kurias galima įterpti į bakteriją nekeičiant jos genomo.

Žvelgdami į ateitį, mokslininkai galėtų iš E. coli genomo pašalinti dar daugiau kodonų, taip atlaisvindami dar daugiau kanalų dizainerio sukurtiems baltymams kurti. Tačiau kol kas trys atviri kanalai yra pakankamas pagrindas dirbti.