Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей

Кишечная палочка, в которую ввели такую необычную ДНК, не умеет синтезировать эти новые типы нуклеотидов, но если ее “подкармливать” ими, добавляя в питательную среду, бактерия успешно использует их при репликации ДНК. При этом нуклеотиды dySICS и dNaM внедряются ДНК-полимеразой друг напротив друга, как если бы это была обычная комплементарная пара нуклеотидов. Такая новая ДНК может передаваться от родительских клеток потомкам, но на сегодняшний день она абсолютно “бесполезна”. С нее не считывается какая-то особая РНК, она не кодирует никаких белков, но в будущем ей вполне может найтись применение. Во-первых, не исключено, что эта технология поможет создавать генетически модифицированные организмы, чьи гены будут сохраняться, только если подкармливать их “особыми” нуклеотидами. Такие гены заведомо не “убегут” в окружающую среду, не окажутся перемещены в результате горизонтального переноса и так далее.

Кроме того, имея 6 разных нуклеотидов, мы можем теоретически иметь для кодирования аминокислот не 64 кодона, а 216. Тут сразу возникает вопрос: если даже число имеющихся кодонов избыточно и ими кодируется всего 20 аминокислот, то зачем нам еще больше? Но допустим, что мы хотим создать в клетке белок, в состав которого входит какая-то нестандартная аминокислота. Использовать какой-то из уже имеющихся кодонов для кодирования этой аминокислоты нежелательно, ведь в геномах живых организмов встречаются все кодоны. Чтобы не испортить кучу белков, нам придется сначала какой-то кодон “освободить", заменив в геноме большинство таких кодонов на другие кодоны, отвечающие за ту же самую аминокислоту. А это технически достаточно сложная задача! Даже если мы будем синтезировать молекулы ДНК “с нуля”, как это делал Вентер. Альтернативно можно использовать один из стоп-кодонов, но стоп-кодонов всего три, и они тоже нужны. Зато с новой нуклеотидной парой мы сразу получим уникальный кодон, которому можно приписать любую аминокислоту. При этом мы не затронем работу других генов и последовательности белков, которые они кодируют.

Что значит “приписать” кодону новую аминокислоту? Ранее мы разбирали, что важную роль в работе генетического аппарата клетки играют транспортные РНК (тРНК), которые, с одной стороны, несут аминокислоту, а с другой – имеют три нуклеотида, комплементарные кодону молекулы РНК. Такие тРНК по очереди связываются с рибосомой в процессе синтеза белка и привносят соответствующие кодонам молекулы РНК аминокислоты.

Какую аминокислоту несет та или иная тРНК – это, в свою очередь, определяется специальными ферментами, которые называются аминоацил-тРНК-синтетазами. Организму нужно как минимум 20 разных аминоацил-тРНК-синтетаз – по одной на каждую аминокислоту, кодируемую в рамках стандартного генетического кода. Каждая аминоацил-тРНК-синтетаза присоединяет одну-единственную аминокислоту к соответствующим тРНК.

Если мы хотим изменить генетический код клетки и приписать какому-то кодону новую аминокислоту, нам нужно внести в геном этой клетки новую пару тРНК и аминоацил-тРНК-синтетазы. Новой тРНК необходимо узнавать нужный нам кодон (но не другие кодоны). Кроме того, эту тРНК не должны распознавать уже имеющиеся в клетке аминоацил-тРНК-синтетазы. В свою очередь, новой аминоацил-тРНК-синтетазе нужно узнавать привнесенную тРНК, но не другие тРНК клетки. Наконец, нам необходимо как-то накормить клетку новой нестандартной аминокислотой, а для этого аминокислота должна проникать внутрь клетки. Но даже с этой нелегкой задачей ученые справились.

Создать кишечную палочку с измененным генетическим кодом удалось в 2001 году в лаборатории Питера Шульца все в том же Институте Скриппса. Ученые приписали одному из трех стоп-кодонов нестандартную аминокислоту L-метокситирозин⁷⁸. Вы могли уже заметить, что для решения своих задач генные инженеры почти всегда обращаются за поиском готовых решений к природе. В данном случае пару тРНК и аминоацил-тРНК-синтетазы ученые позаимствовали из другого вида бактерий, немного изменили их с помощью генной инженерии и подвергли искусственному отбору, чтобы добиться хорошего и специфичного присоединения новой аминокислоты. Ученым удалось показать, что новая аминоацил-тРНК-синтетаза избирательно присоединяет именно L-метокситирозин в том месте, где у обычной бактерии срабатывал бы тот самый замененный стоп-кодон, и вставить новую аминокислоту в несколько важных белков.