научно-популярное приложение к газете "Голос Армении"
Menu

НОВОЕ ПРОЧТЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА

ДНК

Генетическая наука вступила в новую фазу развития: в лабораториях ученых появились организмы, которые по-иному читают и интерпретируют знакомые всем нам со школьной скамьи четыре буквы ДНК, обозначающие первокирпичики, или нуклеотиды, двойной спирали жизни, – A (аденин), T (тимин), C (цитозин) и G (гуанин). Эти рукотворные создания с измененной геномикой имеют несомненное превосходство над своими сородичами с традиционной формой генетической грамотности: они обладают иммунитетом ко всем вирусам, встречающимся на нашей планете. Каким же образом удалось рекодировать информацию, существующую на протяжении без малого 3,5 млрд лет и являющуюся универсальной для всего живого на Земле?

ДЛЯ НАЧАЛА НЕМНОГО БАЗОВЫХ СВЕДЕНИЙ ИЗ ГЕНЕТИКИ. Почти все организмы на нашей планете обладают одинаковым для всех генетическим кодом. По сути, это язык, который используется клетками для чтения своей ДНК. Распознанный текст играет ключевую роль в процессе синтеза белков, представляющих собой молекулярные механизмы, которые реализуют большинство жизненных функций. Например, генетическая последовательность AGG означает одно и то же почти для всех организмов – от наших с вами клеток до клеток растений и дрожжей: это письменная инструкция о добавлении в синтезируемую цепь белка молекулы аминокислоты аргинина.         

Геномно рекодированным является полученный в лабораторных условиях организм, который использует другой язык для чтения генетической информации. Такой объект видит в последовательности AGG совершенно иную инструкцию, и именно с учетом этой особенности исследователи сегодня пытаются встроить его в бактериальную клетку. Как же на практике будут использованы такие организмы?

Во-первых, ожидается решение проблемы вирусоустойчивости. При инфицировании клетки хозяина вирусы впрыскивают туда свой геном и тем самым заставляют ее создавать новые поколения вирусов. Но данный процесс функционирует только в том случае, если вирус и клетка "разговаривают" на одном и том же генетическом языке. Поскольку геномно рекодированный организм понимает другой язык, генетические инструкции вируса о своем воспроизводстве никак не истолковываются в этом смысле и вирус не в состоянии завершить свой жизненный цикл.    

Во-вторых, модифицированные объекты приобретают новые биохимические свойства, отсутствующие у естественных организмов. Мы уже знаем, что почти все формы жизни обладают одинаковым генетическим кодом, который объясняет, каким образом транслировать генетическую информацию в белки. Последние, как известно, состоят из аминокислот, существует только 20 из них, которые обычно используются для строительства белков. В то же время есть еще множество искусственных (их можно также назвать ненатуральными) аминокислот, которые имеют полезные химические свойства, отличные от таковых у естественно синтезируемых двадцати. Благодаря огромной работе, проделанной учеными различных стран, к настоящему времени известно более 150 ненатуральных аминокислот, которые помогают существенно расширить область применения белков. Сегодня эти искусственные  аминокислоты используются, в частности, при создании более эффективных лекарств для лечения различных заболеваний.     

ДНКВМЕСТЕ С ТЕМ ОБЛАСТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ГЕНОМНО рекодированных организмов должны быть существенно ограничены. Причина данного опасения связана с тем, что модифицированные создания могут обладать широкой вирусной резистентностью, что диктует необходимость перекрыть все возможные пути их свободного внедрения в природу и дальнейшего смешения с естественными формами жизни. Иными словами, в дополнение к физическим преградам (для удерживания искусственно созданных организмов в стенах лаборатории) ученые обязаны также построить генетические "противопожарные стены". Для этого необходимо, например, реконструировать жизненно важные белки таким образом, чтобы геномно рекодированные организмы могли выжить только в условиях доступа к определенным ненатуральным аминокислотам, которые в естественной среде отсутствуют.      

Каким же образом рекодируется генетический язык? Клетки обычно считывают свою генетическую информацию посредством трехбуквенных образований, называемых кодонами, которыми являются, например, последовательности ATG и TAG. Они распознаются клеточными машинами, рибосомами, в результате чего каждый кодон приводится в соответствие с определенной аминокислотой. Кодоны могут также информировать клетку о том, когда дать старт или остановить процесс прикрепления очередных аминокислот. С помощью триплетов и на основе четырех различных нуклетидов (A, T, G, C) возможно образование 64-х кодонов. Это намного больше, чем необходимо для кодирования 20 аминокислот. Именно по этой причине несколько кодонов фактически кодируют одну и ту же аминокислоту, что характеризует генетический код как избыточный.

Чтобы рекодировать организм, необходимо прежде всего высвободить и переориентировать один из избыточных кодонов для выполнения некоей новой задачи. Например, есть три различных кодона, которые заставляют рибосому остановить трансляцию (перевод триплета в аминокислоту) и синтез полной цепи белка. Таковыми являются триплеты TAG, TAA и TGA. В одном из опытов все кодоны TAG в бактериальной клетке были изменены на TAA. Когда все замены были завершены, триплет TAG более не использовался бактерией; таким образом был выключен один из клеточных механизмов, ответственных за стоп-функцию при синтезе белков, а высвобожденный кодон был направлен для выполнения новой задачи.   

НА СЛЕДУЮЩЕМ ЭТАПЕ БЫЛА ВЗЯТА БАКТЕРИЯ КИШЕЧНАЯ ПАЛОЧКА и отобраны семь различных кодонов, которые были изъяты из генетического кода организма и остались без какой-либо функции. Если для одного кодона TAG было сделано 321 изменение, то для семи кодонов понадобилось более 62 тыс. модификаций генома. Многие из них находились в жизненно важных генах, где единственная ошибка при считывании одной буквы могла стать причиной смерти клетки. В среднем замене подверглась одна из каждой 65-ти генетических букв. 

Столь высокая частота модифицированных триплетов позволила синтезировать совершенно новую ДНК и на ее основе получить искусственный геном, состоящий из четырех миллионов пар нуклеотидов. Сейчас проходит его тестирование в живой бактерии посредством полной замены – кодон за кодоном – ее генома и постепенным устранением нежелательных побочных эффектов биоинженерного вмешательства.           Оказалось, что большинство замененных кодонов вполне удовлетворительно работает в новом организме и обеспечивает его относительно здоровое функционирование.  

Однако исследователей все еще ожидает огромный клубок нераспутанных проблем, и  существование некоторых из них они даже не предполагают. Например, хотя одна и та же аминокислота  может кодироваться различными кодонами, это никак не означает, что все они одинаковы. Уже известно, что эти кодоны действуют различным образом на другие процессы при синтезе белков, однако природа этого не до конца понятна. Так, в одном случае два избыточных кодона неодинаковым образом определяют, какое количество белка синтезируется и когда точно это происходит. 

Но самая опасная ловушка во всей этой истории связана с тем, может ли стать коренное изменение генетического кода вредным и опасным для наших клеток. Разворачивается множество жарких споров о том, является ли нормальный генетический код оптимальным и не снизят ли его модифицированные варианты приспособленность живых организмов к быстро меняющимся условиям окружающей среды. Очевидно, что иное прочтение генетического кода таит в себе множество загадок, которые предстоит разгадать, прежде чем начать массовое обучение наших клеток новой грамоте. 

Опубликовано в Лаборатория
Прочитано 882 раз
Оцените материал
(1 Голосовать)
Другие материалы в этой категории: « ЗАГАДКИ МАРСА НОВЫЙ МИР – ИДЕАЛЬНЫЙ ИЛИ УЖАСНЫЙ? »

Оставить комментарий

Убедитесь, что вы вводите (*) необходимую информацию, где нужно
HTML-коды запрещены

Наверх