Біологи з Гарварду, MIT і кількох інших американських інститутів розповіли про роботу над повногеномною заміною генетичного коду біля кишкової палички. У перспективі, це дозволить створити спеціальну «штучну» бактерію, яка нездатна розмножуватися поза межами лабораторії і при цьому повністю стійка до всіх існуючих вірусів. Робота групи під керівництвом Джорджа Черча поки далека від завершення, проте вже опублікована в.
Генетичний код визначає відповідність між послідовністю нуклеотидів у генах і тими амінокислотами, з яких будуються білки на основі цих генів. Кожні три нуклеотиди (кодон) кодують одну амінокислоту. Оскільки існує 64 варіанти триплетів нуклеотидів, а основних амінокислот в білках всього 20, багато з кодонів синонімічні, тобто кодують одну і ту ж амінокислоту.
Ідея авторів полягала в тому, щоб замінити деякі (переважно рідкісні) кодони їхніми синонімами, причому зробити це в усьому геномі повноцінної бактерії. Така бактерія мала б деякі цікаві властивості. При досить великій кількості викинутих кодонів (принаймні більше трьох) вона, наприклад, була б повністю стійка до будь-яких існуючих вірусів, оскільки вірусна генетична інформація в ній стала б просто «нечитною». Відповідно, і отримувати корисну, але не «адаптовану» генетичну інформацію із зовнішнього середовища (гени стійкості до антибіотиків тощо) вона б не могла, що важливо для біотехнологічного застосування. Крім того, в білки такої бактерії можна вводити штучні, що не зустрічаються в природі амінокислоти і хімічні групи, - наприклад, для синтезу якихось нових ліків або промислових речовин. Причому робити це можна стандартними молекулярно-біологічними методами, не розробляючи систему щоразу заново.
Складність створення такої бактерії полягає в тому, що потрібно замінити обрані триплети ДНК у всьому геномі, причому зробити це не для одного гена, а для всього геному. Раніше подібні роботи по заміні кодонів вже проводилися (і групою Черча в тому числі - вчені видаляли з геному кишкової палички один зі стоп-кодонів), проте масштаб їх був істотно меншим. Однак коли мова йде про заміну семи кодонів у всьому геномі, як це заплановано в справжній роботі, це не тільки вимагає введення дуже великого числа змін (148955 нуклеотидних замін), але і загрожує виникненням різноманітних непередбачених негативних ефектів, яких при роботі тільки зі стоп-кодонами не буває.
Робота проводилася наступним чином. Вчені відібрали сім досить рідкісних кодонів, які можна було б видалити разом з тРНК, що розпізнає їх. Потім автори створили програму, яка дозволяє на основі відомої послідовності геному (використовувалася вже мінімізована, «очищена» версія генома кишкової палички) замінити кодони, що викидаються, на їх синоніми.
При виборі заміни враховувалося безліч факторів, які потенційно можуть вплинути на життєздатність організму: вчені намагалися передбачити і максимально зберегти важливі властивості вихідної ДНК. Наприклад, програмою коригувалася частка GC-нуклеотидів (вона впливає на механічну жорсткість ДНК і багато іншого), зберігалися сайти посадки рибосом і ті місця в матричній РНК, де вона утворює вторинну структуру.
У результаті програма видавала кілька тисяч відредагованих фрагментів, які вже синтезували хімічним способом у ланцюжки довжиною 2-4 тисячі підстав. Ці фрагменти поміщали в дріжджі, де з них за допомогою рекомбінації збирали 55 великих сегментів нового геному. Кожен з великих сегментів потім індивідуально тестувався в «звичайній» кишковій паличці - вчені перевіряли, наскільки сповільнюється зростання бактерії, якщо природний шматок геному замінити на синтетичний зі зміненим генетичним кодом. Причому, як і очікувалося, ефективності комп'ютерних передбачень у деяких випадках було недостатньо: багато сегментів «не працювали» в бактерії через заміну важливих ділянок, які не можна було знайти. З ними доводилося працювати «вручну».
У підсумку на момент публікації вчені перевірили працездатність 63 відсотків синтетичного геному (він отримав назву), причому 91 відсоток перевірених генів зберіг свою працездатність. Однак робота над синтетичним геномом на цьому ще не закінчена (можливо, через фінансові труднощі). Загальну вартість проекту автори оцінюють в один мільйон доларів.
Удосконалення природних мікроорганізмів на глибинному молекулярно-біологічному рівні відноситься до синтетичної біології і йде зараз різними шляхами. Крім заміни кодонів (яка почалася ще наприкінці 80-х з роботи Шульца) вчені, наприклад, намагаються вбудовувати в геном нові, повністю синтетичні пари підстав, які розширюють інформаційну ємність ДНК і збільшують простір генетичного коду. Іншим шляхом йде, наприклад, Інститут Крейга Вентера, який нещодавно доповів про створення бактерії з повністю синтетичним мінімальним геномом. Докладніше про цю роботу можна прочитати тут.