Создана искусственная геномная ДНК, способная реплицироваться и эволюционировать вне клетки

Японские биологи создали первую искусственную геномную ДНК, которая может воспроизводиться и развиваться вне клетки. Учёные смогли запустить процесс экспрессии генов и внеклеточную репликацию в ДНК, созданной в бесклеточной системе из нуклеиновых кислот и белков. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Synthetic Biology.

Способность к размножению и развитию — одна из определяющих характеристик живых организмов. До сих пор не удалось создать искусственные материалы с такими характеристиками. Чтобы заработала искусственная молекулярная система, которая может размножаться и развиваться, генетическая информация, закодированная в ДНК, должна быть переведена в РНК, запущена экспрессия белков, а цикл репликации ДНК с этими белками должен поддерживаться в системе в течение длительного времени. Основная трудность заключается в том, что гены, необходимые для репликации ДНК, одновременно должны выполнять свои функции экспрессии.

Чтобы обойти эту проблему, ученые из Токийского университета во главе с профессором Норикадзу Ичихаши (Norikazu Ichihashi) вместо сложного механизма репликации ДНК, используемого живыми организмами, который требует большого количества генов, создали искусственную систему репликации всего с двумя генами — фермента репликации ДНК ?29 и Cre-рекомбиназы. Авторы предположили, что эти два белка будут хорошо функционировать при низких концентрациях и смогут экспрессироваться в достаточных количествах даже в существующих бесклеточных системах трансляции.

Они создали такую бесклеточную систему транскрипции-трансляции, в которой им удалось транслировать гены в белки и реплицировать исходную кольцевую ДНК с помощью кольцевой ДНК, несущей два гена, необходимых для репликации. Более того, они успешно улучшили исходную ДНК, позволив ей путём дарвиновской эволюции увеличить эффективность репликации в десять раз. Запущенный учеными цикл репликации ДНК продолжался в течение 60 дней.

Исследователи отмечают, что, добавляя гены, необходимые для транскрипции и трансляции, к разработанной ими искусственной ДНК, можно создавать искусственные клетки, которые могут расти автономно, питаясь низкомолекулярными соединениями, такими как аминокислоты и нуклеотиды.

В будущем такие клетки можно будет использовать для производства лекарств и продуктов питания. Сейчас для этой цели в технологии включают живые микроорганизмы. Если их заменить на искусственные программируемые клетки, процессы станут более стабильными и управляемыми, считают авторы.

____________________________

На картинке:

Система содержит кольцевую ДНК и кастомизированную бесклеточную систему репликации из E. coli, включая РНК-полимеразу бактериофага T7 и дезоксинуклеозидтрифосфат (дНТФ). Кольцевая ДНК содержит гены ДНК-полимеразы бактериофага ?29 и Cre-рекомбиназы. Сначала транскрибируются и транслируются ДНК-полимераза ?29 и Cre-рекомбиназа. Далее ДНК-полимераза ?29 инициирует репликацию по типу катящегося кольца и производит длинную одноцепочечную ДНК, затем синтезирует комплементарную ей цепь, формируется двухцепочечная ДНК. Наконец, Cre-рекомбиназа катализирует гомологичную рекомбинацию и создаёт кольцевую ДНК. Когда эту систему поместили в микроскопические водно-масляные капли и позволили ей многократно реплицироваться, при этом всё сильнее разбавляя раствор, ДНК накопила мутации, многократно повышающие эффективность репликации. Мутации сделали саму ДНК более пригодным для репликации шаблоном, увеличили эффективность работы полимеразы и уменьшили ингибирующий эффект полимеризации от рекомбиназы.

____________________________

Источники:

https://ria.ru/20211119/dnk-1759882833.html

https://phys.org/news/2021-11-artificial-genomic-dna-replicate-evolve.html

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssynbio.1c00430

Источник: pubs.acs.org

Комментарии: