Стандартная молекула ДНК с четырьмя основаниями A, T, G, C. Американские учёные добавили к ним синтетические основания X и Y из трифосфатов. Графика: Deco Images II / Alamy/Alamy
Натуральный генетический алфавит земной жизни ограничен двумя парами оснований аденин-тимин (A-T) и гуанин-цитозин (G-C). Всё многообразие жизни на планете программируется, копируется и воспроизводится с помощью цепочек ДНК, образованных всего четырьмя азотистыми основаниями нуклеотидов. Эти основания одинаковы у всех — у дуба, пингвина, бабочки и человека, они только располагаются в разном порядке. Так было до 2014 года, когда учёные из Научно-исследовательского института Скриппса сконструировали первый живой организм с шестью основаниями на базе бактерии E.coli. Две основные пары A, T, G и C дополнили синтетической парой X и Y, которая функционирует вместе с природными.
Теоретически, такие организмы способны хранить и передавать больше информации через ДНК, чем обычные организмы. И это открывает двери для достижения фундаментальной цели синтетической биологии: создания новых жизненных форм и новых синтетических функций в существующих организмах.
Разработка синтетической пары оснований X и Y продолжалась более 15 лет и завершилась успехом в 2014 году, когда учёные доказали принципиальную совместимость синтетической пары оснований с жизнью. Они модифицировали транспортер нуклеотидов (nucleotide transporter) — инструмент, который помогает трифосфатам синтетической базовой пары переноситься через клеточную мембрану. Таким образом, теоретически живой организм мог расти и размножаться, сохраняя и копируя ДНК с натуральными и синтетеческими основаниями из клетки в клетку.
Но о полном успехе говорить было рано, потому что на самом деле полусинтетическую бактерию в том эксперименте нельзя было назвать здоровой. Она медленно росла: делилась в два раза медленнее нормальной бактерии. К тому же, на определённых этапы роста клетки синтетические основания очень сильно разрушались. По мнению учёных, это связано с выделением в клетках фосфатов. Они разрушают синтетические трифосфаты, из которых состоят искусственные основания. В результате, полусинтетическая бактерия не могла сохранить искусственные основания в длительном периоде.
В 2014 году было сделано принципиальное доказательство концепции (PoC). Для полноценного программирования полусинтетических организмов нужно, чтобы синтетические основания можно было внедрить в любое место и в любом контексте окружающих оснований, и чтобы они надёжно там сохранялись при росте и размножении клеток.
К 2016 году авторы работы внесли необходимые изменения в транспортер нуклеотидов, а также сделали небольшие изменения в основании Y. В итоге, они решили все поставленные задачи с нормальным ростом и размножением полусинтетических бактерий, сохраняя в любом месте цепочки базовые пары X и Y. В новом виде синтетические основания лучше распознаются ферментами, которые синтезируют молекулы ДНК во время репликации ДНК, что упрощает процесс копирования синтетических базовых пар при делении клеток.
Синтетические основания dNaM-d5SICS ? dNaM-dTPT3, а также сделанные оптимизации транспортера схематически показаны на иллюстрации. Слева показана химическая структура синтетических оснований по сравнению с химической структурой естественных оснований dC ? dG
Учёные креативно использовали популярную технику генного редактирования CRISPR-Cas9. Как известно, в живых организмах этот иммунный механизм предназначен для вставки в геном фрагментов, которые соответствуют сигнатурам вирусов-«вредителей» в иммунной системе, чтобы организм мгновенно реагировал на появление этих вредителей (иммунный ответ). Так вот, учёные спроектировали бактерию таким образом, что она воспринимает клетку с ДНК без оснований X и Y как «вредителя», который мгновенно уничтожается. То есть у этого организма своеобразный врождённый иммунитет к потере синтетических оснований. Это значительно упростило задачу сохранения X и Y и сделало новую полусинтетическую жизнь действительно устойчивой в долговременной перспективе.
В лабораторных условиях полусинтетическая ДНК осталась неизменной после 60 делений бактерии. Это дало учёным основания полагать, что она способна сохраняться бесконечно. «Мы решили проблему на фундаментальном уровне», — сказал Брайан Ламб (Brian Lamb), один из авторов научной работы, который сейчас проводит научные исследования для коммерческой компании Vertex Pharmaceuticals.
Таким образом, сконструирована первая в истории науки стабильная полусинтетическая жизненная форма, теоретически способная синтезировать принципиально новые протеины. Это означает, что инженеры могут теперь манипулировать любыми жизненными процессами.
В новой инкарнации полусинтетическая бактерия E.coli стала гораздо более приспособена к реальной жизни. Теоретически, эта жизненная форма может размножаться, мутировать и эволюционировать, как все живые организмы.
Возможности применения полусинтетических организмов поистине безграничны. Люди получают возможность проектировать и создавать биологические системы с заданными свойствами и функциями, которые не имеют аналогов в живой среде. Это не традиционное генетическое редактирование, где в генетический код одного организма добавляют фрагмент генетического кода другого существа. Это настоящее полноценное программирование специфических свойств, которых нет в природе. Качественно новый этап в развитии генной инженерии: грубо говоря, от копипаста к написанию кода с нуля.
Можно привести массу примеров из научно-фантастических произведений, когда живые существа проектировать для чёткого функционального выполнения своей задачи. Например, раса воинов Джем'Хадар из межгалактической военной сверхдержавы Доминион, расположенной в Гамма-квадранте вселенной Star Trek, была генетически спроектирована для войны: у них отсутствует инстинкт самосохранения, а единственная цель жизни — служба Основателям, при этом организм воина химически зависит от постоянного приёма кетросила — специального наркотика, который изготавливают Основатели.
Воин Джем'Хадар с трубкой для кетросила
По мнению биоинженеров, развитие синтетической биологии поможет человечеству решить многие актуальные практические задачи: получить биотопливо из водорослей, бактериальное электричество, новые диагностические препараты, синтетические вакцины, бактериофаги и пробиотики для борьбы с инфекциями, повысить продуктивность и устойчивость культивируемых растений и животных.
Учёные объясняют, что эксперименты с новыми основаниями ДНК безопасны, ведь синтетические основания X и Y не встречаются в живой природе, поэтому вряд ли могут выйти из-под контроля.
Научная работа опубликована 23 января 2017 года в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (doi: 10.1073/pnas.1616443114).
Комментарии (66)
RedSnowman
29.01.2017 21:44+11Интересно: сколько людей пошли в генетики, в надежде сделать кошкодевочек?
Zul_Kifl
30.01.2017 09:57+4В процентном соотношении столько же, сколько пошли учиться на программистов, чтобы делать игры :)
Andy_Big
29.01.2017 21:50+5ведь синтетические основания X и Y не встречаются в живой природе
Пока еще не встречаются :)
zaq1xsw2cde3vfr4
30.01.2017 09:58+1Точнее сказать их пока не обнаружили
Andy_Big
30.01.2017 10:18А еще точнее — их пока не выпустили случайно :)
zaq1xsw2cde3vfr4
30.01.2017 18:59А почему отбрасываем возможность существования «в природе» этих соединений? Да молекулы сложные и все такое, ну так и остальные основания когда-то не покрывали всю планету тонким слоем.
ggrnd0
30.01.2017 19:18Развитие жизни шло по нарастающей, от простейших форм к более сложным.
На этапе простейших форм, формам с 2 парами нуклеотидов было банально проще найти компоненты для синтеза ДНК.
Даже если формы с 3+ парами и были, шансов выжить у них не было=)zaq1xsw2cde3vfr4
30.01.2017 20:43Я не удивлюсь если во время очередной экспедиции в какое-нибудь захолустье, с целью перепись населяющей живности, обнаружится что таки шансы выжить были и такая живность процветает по сей день.
Andy_Big
30.01.2017 20:59+1Верю ученым, что "Всё многообразие жизни на планете программируется, копируется и воспроизводится с помощью цепочек ДНК, образованных всего четырьмя азотистыми основаниями нуклеотидов." :)
Alex_ME
29.01.2017 22:59+7Но ведь и с 4мя основаниями возможности их комбинации безграничны и мы толком не умеем
проектировать и создавать биологические системы с заданными свойствами и функциями
и с ними.
A-Stahl
29.01.2017 23:17+10Ну так вся эта возня затевалась вовсе не потому что кому-то не хватило безграничности безграничных возможностей. А просто «because they can». Уверен, что по итогу учёные теперь знают о копировании цепочек ДНК куда больше. И это хорошо.
tundrawolf_kiba
30.01.2017 16:07+2А просто «because they can»
Осторожно - присутствует нецензурная лексика
Varzhak
30.01.2017 13:46На самом деле далеко не безграничны.
Alex_ME
31.01.2017 01:39+1А в чем ограничения? Если наращивать длину цепочки ДНК, то количество комбинаций 4^N. Кодон — 3 основания, кодирует 20 аминокислот + несколько "служебных байт". Итого, можно сказать, что количество комбинаций аминокислот, которые можно закодировать последовательностью оснований длинны N 20^(N/3).
Разумеется, что бесконечно наращивать длину ДНК невозможно, но даже для больших, хоть и конечных последовательностей, это число велико. И, разумеется, число осмысленных последовательностей составляет ничтожный процент, но все равно крайне велико. Геном человека (правда, вместе с митохондриальной ДНК) содержит 3 млрд пар оснований.
Поэтому, мне интересно узнать — что же сильно ограничивает возможное многообразие.
Varzhak
31.01.2017 03:07-1Насколько я понимаю, из всего много многообразия конфигураций, которые предлагает нам комбинаторика, все стабильные белки уже отобраны эволюцией. И поэтому принципиально новое что-то получить проблематично.
black_semargl
31.01.2017 11:16-1Только не стабильные а полезные.
И — все простые полезные. У природы нет компьютера, чтобы посчитать что будет делать вот такой белок.
И уже из этих простых комбинируется большой, с дополнительными мутациями.
Mad__Max
06.02.2017 04:02+1Нет, уже прямо сейчас получают новые (не встречавшиеся в природе) белки. И даже появляются первые успешные шаги в том, чтобы не просто получить что-то новое, а спроектировать белок с каким-то нужными заранее заданными свойствами, а потом вычислить какой для него нужен код и после этого его синтезировать.
Правда 2й вариант (проектирование белка под задачу) пока очень сложно дается — на грани текущих возможностей и занимает много времени.
Lsh
29.01.2017 23:46+3Я не понял, они полезную информацию кодируют тоже или просто как комментарии в коде?
Shaltay
29.01.2017 23:50+3Эта информация должна как минимум транскрибироваться РНК, а как, если в ней нету этих нуклеотидов?
Так что пока это просто комментарии, да.olegmaisak
30.01.2017 10:00То есть эти клетки могут только копировать ДНК, но не могут их прочитать и «запустить на исполнение»? Потому что для чтения и «запуска» нужна определенная структура РНК?
Shaltay
30.01.2017 10:59+1Потому что для чтения и «запуска» нужна определенная структура РНК?
Естественно. В РНК те же 4 пары комплементарных нуклеотидов, что и в ДНК. А-Т(в РНК — А-У) и Г-Ц. X и Y в РНК, как я понял из статьи, не добавлялись.
Мало того, только РНК недостаточно. Потом, чтобы с этой тРНК запустить непосредственно синтез белка (с учётом этих новых нуклеотидов), нужна адова туча разных специфичных ферментов.black_semargl
30.01.2017 13:08Ну значит надо создать тРНК для новых комбинаций.
РНК же откопируется нормально, при наличии свободных нуклеотидов в клетке.
Psychosynthesis
30.01.2017 01:21-8Какая-то жесть. С «обычным» гриппом справится не могут, кричат о пандемии на каждом углу чуть чего, а тут синтетическая бактерия, способная эволюционировать и мутировать с неизвестными последствиями…
Hidralisk
30.01.2017 01:26+2грипп это вирус
Psychosynthesis
30.01.2017 01:33И что? А возбудитель сибирской язвы — бактерия. Совсем не можете в аналогии?
azsx
30.01.2017 02:18+6А возбудитель сибирской язвы — бактерия.
У бактерии есть плюс, она живая!
Psychosynthesis тут весь спор из-за непонимания. Вы думаете, что они безалаберны и думают о возможных последствиях, хорошо, хоть вы волнуетесь. Но на самом деле риски в таких работах обсуждаются. Просто перспектива контролируемой модификации бактерий — слишком лакомый кусок, чтобы волноваться за последствия. Им даже на руку случайные утечки, больше выборка носителей — больше шансов выжить в возможной бактериологической войне.Psychosynthesis
30.01.2017 12:02Дак тут вроде речь тоже о живой бактерии в посте, не?
Я не то чтобы волнуюсь, мне скорее интересно чё и как.azsx
30.01.2017 12:53Я не то чтобы волнуюсь, мне скорее интересно чё и как.
Всё плохо. Пока у нас кто-то там всё буржуев стирает на митингах, они развивают химию, биологию, энергетику и все смежные ей науки. У них есть откровенно провальные проекты, несомненно имеются факты воровства, но в общей массе они прут вперёд. А у нас нано, бигдаты и прочая ерунда.
Sadler
30.01.2017 02:11+9Это банальное передёргивание. «Да какой там научный прогресс, когда люди до сих пор умирают от голода?», «Да какая там медицина, когда до сих пор не научились даже лечить мою хроническую болезнь?» Если Вы это намеренно, то это троллинг, иначе — глупость.
Psychosynthesis
30.01.2017 12:01-3Я ничё про прогресс не говорил. То что вы там себе додумали — это ваши личные заморочки.
Если хотите сказать что варианты с мутированием совсем оторваны от реальности — почитайте про бактерии устойчивые к антибиотикам, даже тут статья была уже.
we1
30.01.2017 06:29Так вот, учёные спроектировали бактерию таким образом, что она воспринимает клетку с ДНК без оснований X и Y как «вредителя», который мгновенно уничтожается.
Не силен в биологии. Бактерия из одной клетки состоит или из нескольких? Клетка без синтетических запчастей уничтожается внутри организма бактерии или уничтожаются другие бактерии без нужных элементов?
MTyrz
30.01.2017 15:35+1Бактерия состоит из одной клетки. Любая.
Есть колониальные варианты, но колония все же не многоклеточный организм.
nevergonnagiveyoup
30.01.2017 09:58Тут, типа, решили новые основания добавить, хотя жизнеспособные гибриды человека и картошки еще не сделали хотя бы из копипасты.
Не разобрались до конца как с нуля создать новый организм а уже хотят свой язык биопрограммирования сделать. Ждём гайверов, ев и прочих мутантов.
kazaff
30.01.2017 09:58+1Похоже тот самый нанотех все-таки будет создан. Но вряд ли он будет похож на то, как воображают его фантасты.
shadovv76
30.01.2017 11:02-5радуются как дети.
зачем вы это сделали? — «потому что могу».
эволюция уже наверняка эти основания попробовала и выкинула как бесперспективные миллионов так 500 назад
DrZlodberg
30.01.2017 11:43+1Отбор разный бывает. И на изрядную его часть (на геологических периодах) большое влияние оказывал совсем не «естественный» фактор. В течении внезапных массовых вымираний, думается, выкинулось много интересных конструкций. И не факт, что выжили оптимальные. Выжили приспособленные к данным конкретным обстоятельствам.
ggrnd0
30.01.2017 11:46Да, двоичное кодирование вероятно было дешевле в ранних периодах развития жизни.
Тогда и сейчас выживаемость зависит в том числе и от скорости размножения.
В лаборатории же это не критично.
Так что вполне можно в лаборатории вырастить достаточно сложную форму жизни, для которой третичность кодирования ДНК не будет проблемой (это точно будет что-то сложнее бактерий).
NoRegrets
30.01.2017 12:27Да, только маленький фикс — эволюция их непрерывно пробует и в данный момент тоже. И раз их нет, значит не нужны, никаких преимуществ не дают. Преимущества есть как раз у простоты — меньше оснований нужно, как минимум.
black_semargl
30.01.2017 13:10+1Эволюция попробовала один раз и ей понравилось. Больше пробовать нечего, блюдо съедено.
В смысле — встройки в уже существующий код будут отброшены как непонятые.NoRegrets
30.01.2017 13:55-1Увы, значит вы не понимаете как оно работает. Бактерий очень много. За один день происходит огромное количество мутаций и они всегда случайны. Эволюция ВСЕГДА в поиске. Вероятность такой мутации, которая обеспечит возможность встраивания 2 дополнительных оснований, бесконечна мала, но помноженная на количество всевозможных мутаций, это не так уж и невозможно.
Sadler
30.01.2017 14:07+2Проблема в том, что выбор оснований произошёл достаточно давно, и причин именно такого выбора на тот самый момент мы не знаем. Сейчас все известные организмы уже используют ATGC, в который весьма сложно встроить эти некие X и Y, а заметных преимуществ организм от такого встраивания не получает.
black_semargl
30.01.2017 14:17+3Дело в том, что тут должно произойти единовременно сразу десятки мутаций — новые основания должны встроиться в ДНК, из этого должен получиться полезный код а не просто мусор, одновременно должны появиться новые тРНК и новые аминокислоты с циклом их синтеза.
NoRegrets
30.01.2017 23:41Но условие одновременности не обязательно. Одна мутация приводит к появлению новых оснований в клетке. Еще одна к возможности встраивания в виде мусора в днк, которого там, кстати, и без этого много. И так и далее. Слона можно съесть по кусочкам. Другое дело что преимуществ никаких нет, это быстро исчезнет, даже и если появится. Мнение что эволюция «выбрала» 500 млн. лет назад и теперь уже ничего не изменится только потому что для этого понадобится множество шагов, это заблуждение, имхо. Не изменится не потому что это случилось давно и теперь все живет на 4х основаниях, а потому что это не несет ничего полезного.
Вы готовы отдать голову на отсечение, что они все равно бы не появились, даже если бы организмы с 6 основаниями стали супержизнеспособны с 2017 года, например?black_semargl
31.01.2017 00:59+1Как говорят в программировании — главное не какой язык, главное какой у него фреймворк.
Эволюция «выбрала» где-то чуть менее 4 млрд лет назад, и на тот момент ещё не было никаких белков, РНК катализируя реакции приходилось обходиться своими силами. И на тот момент могли рулить другие факторы, например излишняя химическая активность в любую сторону.
А потом как-то была наработана «библиотека белков» и уже вклиниться в это чтобы как-то выиграть у исходного варианта стало никак. Оно всё слишком притёрлось друг к другу.
На других планетах оно конечно могло и в другой паззл сложиться, чем и интересно.
Silvatis
30.01.2017 16:52Эволюция не умеет решать проблему уровня клинча: «электромобилей нет из за отсутствия зарядных станций, а станций нет из за отсутствия электромобилей» Появление всего конвеера невозможно как разово, так и поэтапно: недееспособные мрнк, трнк (возможно там еще и какие то извращения с рибосомами, и еще бог знает где) — это затраты энергии в никуда, за несколько итераций отомрет.
Ну а в первичном бульоне почему именно 4 — вполне логично, полагаю двухосновных просто не хватило бы, а больше четырех — нужно больше «еды», которой к тому же, может и не было в доступном виде. А значит и выживаемость меньше.
ElectroGuard
30.01.2017 23:16Мне кажется международный классификатор болезней может пополнится :)
Если без троллинга — то результаты и перспективы ошеломляющие.
etz
«вряд ли» особо радует
StepFan
Да что вообще может пойти не так.
ggrnd0
Особенно весело будет, если такие бактерии убегут и начнут пожирать все живое
при этом успешно мутируя и эволюционируя
Еще веселее будет если существующие вирусы и бактериофаги не смогут их уничтожать.
Так человечество создаст новую жизнь и станет богом… посмертно...
EnigMan
На мой взгляд основная фишка добавления новой пары оснований не в том, что можно кодировать более сложный генетический код, а в том, что без добавления в среду этих оснований синтетические организмы в конце концов погибнут. Такие организмы не смогут сбежать из лабораторий или производств, где, вероятно, в будущем они будут использоваться. Для полной надежности осталось закодировать с использованием искусственных оснований что-нибудь очень важное для клеток.
RedSnowman
Вспоминая историю появления в клетках митохондрий и хлоропластов, можно предположить, что рано или поздно они научатся обходиться без помощи человека. Хотя займёт сие от пары дней, до пары миллиардов лет\\
ggrnd0
Но ДНК же дублитуется, значит клетка в состоянии синтезировать обычные основания.
Даже если в приведенном эксперименте клетка не может синтезировать нуклеотиды самостоятельно, нет гарантий что ученые не создатут улучшенную версию бактерии.
В конце концов, бактерии способные сами воспроизводить нуклеотиды, куда жизнеспособнее, и способны выжить при краткосрочных неблагоприятных условиях.
Sadler
Mad__Max
Далеко не всем вирусам нужно внедряться в ДНК код. Собственно большинству видов вообще не нужно — достаточно проникнуть сквозь оболочку и подбросить в цитоплазму свою РНК, чтобы клеточные биомашины его копировали.
Внедрение новых оснований, не убирает способность воспроизводить/копировать код составленный из традиционных ATGC. И вирусы продолжат этим пользоваться.
Вот если на другие основания вообще весь код переписать и «отключить» возможность работы с обычными, тогда да — будет 100% защита от всех видов на уровне несовместимости кода. Но это уже не просто конвертация, а полное переписывание всех низкоуровневых функций.
Sadler
Естественно, я упрощаю, если основания дают сколько-нибудь разную биохимию, придётся поработать как минимум над механизмом транскрипции, а для защиты от ретровирусов потребуется значительно больше работы.
ggrnd0
Вполне может оказаться, что вирусы так же будут уничтожаться...
Syzd
У предыдущего бога было всего два основания. Добавил всего два…