Изменение генетического кода E.coli сделало бактерию устойчивой к вирусам
Михаил Орлов, PCR.news
Все живые клетки и вирусы за редким исключением руководствуются общим генетическим кодом. Иными словами, кодирующие генетическую информацию кодоны ДНК имеют одно и то же значение — соответствуют определенной аминокислоте, старту или остановке трансляции. Благодаря этому возможен и горизонтальный перенос генов, и вирусные инфекции (в том числе заражение прокариот бактериофагами).
Это далеко не всегда приемлемо. Так, «утечка» трансгенов и модифицированных участков генома в окружающую среду и в другие организмы может быть опасна для экосистем и здоровья человека. Вирусные инфекции, очевидно, также связаны с опасностью — применительно к культивируемым бактериям они означают снижение продуктивности и нарушение технологических процессов.
Исследователи из США задались целью создать своего рода «генетический фаервол», останавливающий бесконтрольный перенос генов в геном или из него.
Простое изменение генетического кода на уровне ДНК бактерии с этой целью оказалось неэффективно. Полученный штамм E. coli Syn61∆3 с измененными значениями отдельных кодонов оказался не полностью защищен от вирусов и утечки трансгенов. В геноме этой бактерии два соответствующих серину кодона (TCG, TCA) и стоп-кодон TAG были полностью заменены на синонимичные, а гены serU, serT и prfA были удалены из генома. Таким образом, полученный ими штамм E. coli (Syn61∆3) «работает» на 61 кодоне вместо обычных 64.
Чтобы показать, что этот штамм подвержен заражению и горизонтальному переносу генов, авторы идентифицировали тРНК, кодируемые транспозонами и вирусными геномами. Они синтезировали последовательности 1192 генов тРНК из плазмид, мобильных элементов и бактериофагов семейства Enterobacteriaceae и проверили, могут ли они заменить клеточные тРНК, кодирующие серин.
Дело в том, что многие вирусы и транспозоны (мобильные генетические элементы) в той или иной мере имеют собственный аппарат трансляции. Благодаря этому они постепенно адаптируются к смене генетического кода клетки-хозяина.
Выбранные гены экспрессировали в клетках E. coli Syn61∆3 при помощи конститутивного промотора. Сами по себе эти бактерии не были устойчивыми к селективному антибиотику канамицину из-за остановки синтеза необходимого для этого фермента — O-фосфотрансферазы. Однако если тРНК, помещенные в клетку, могли декодировать TCG и TCA, то фермент синтезировался, клетка приобретала резистентность к антибиотику. И действительно, было выявлено множество резистентных колоний.
Такая тРНК была обнаружена, например, у бактериофага REP12. Авторы подтвердили, что бактериофаг сохранил способность использовать кодоны TCA и TCG и встраивать серин в соответствующие последовательности белков.
Исследователи предположили, что эффективный «фаервол» следует создавать иначе — используя искусственный генетический код, в котором кодоны TCA и TCG кодируют не серин, а другую аминокислоту. Они избрали лейцин как молекулу, максимально отличающуюся от серина структурой и химическими свойствами.
Руководствующийся стандартным генетическим кодом вирус при встраивании лейцина вместо серина гибнет, поскольку замена приводит к синтезу нефункциональных белков.
Новый штамм создали на основе все того же E. coli Syn61∆3. Коэкспрессия библиотеки из 65 536 генов тРНК с рандомизированными антикодонными петлями с геном устойчивости к канамицину позволила получить 29 новых линий E. coli.
Их подвергли действию изолятов 12 фагов, к которым был чувствителен исходный штамм Syn61∆3. Оказалось, что в новых бактериях размножение всех этих бактериофагов невозможно.
Авторы также продемонстрировали эффективность такого «переопределения» кодонов в качестве «фаервола», предотвращающего утечку плазмид из генома E. coli и их привнесения извне.
Защита от бактериофагов может дать бактериям преимущество при утечке из лаборатории, поэтому авторы позаботились, чтобы этого не произошло. Полученные бактерии зависят от аминокислоты, которая не встречается в природе.
По мнению авторов, новая работа имеет огромные перспективы, поскольку может стать основой для способа получения ГМО, исключающего бесконтрольный перенос генов между организмами. Ученые также полагают, что их результаты помогут создать клетки, полностью нечувствительные к каким-либо вирусам и тем самым радикально решить проблему вирусных инфекций культивируемых штаммов.
Источник: Nyerges A., et al. A swapped genetic code prevents viral infections and gene transfer // Nature
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru