По мнению ученых, их разработка найдет широкое применение в химической технологии, фармацевтике и других областях промышленности, где необходим крупномасштабный синтез сложных биоорганических соединений.
Добиться успеха группе Фаррена Айзекса из Гарвардской медицинской школы помог новый подход к генной инженерии, ставшей одной из основных методик биотехнологов в последние годы.
Этот метод позволяет, немного изменяя нуклеотиды в генах или группах генов, добиваться улучшения старых или появления совершенно новых свойств бактерий.
До сих пор ученые использовали так называемую последовательную стратегию изменения генов, когда каждое новое изменение ДНК производится последовательно друг за другом, а изменения свойств бактерий отслеживаются на каждом этапе.
Такая стратегия очень трудоемка и требует огромного количества времени. Более того, изменение одного гена может повлиять на работоспособность другого, а мутация в третьем может полностью изменить функционирование уже измененных генов, как замедлить, так и наоборот ускорить.
Все эти сложности устройства ДНК пока не позволяют ученым выработать некую общую теорию генной инженерии, а потому в случае каждой новой биотехнологической задачи исследователям приходится добиваться нужной функциональности бактерий методом проб и ошибок.
Команда Айзекса развила этот подход, сделав его необычайно продуктивным. Ученые надеялись заставить бактерии Escherichia coli производить в больших количествах биоорганическое соединение ликопин.
Это соединение встречается в томатах и обладает антиоксидантными свойствами. Оно родственно большому количеству химических веществ, применяемых в противораковых терапиях.
Вместо того, чтобы проводить единичную замену в геноме в ходе каждого из последовательных этапов генного модифицирования, ученые решили вводить в штаммы сразу большое количество мутаций, причем случайным образом.
Природные штаммы производят ликопин в очень небольших количествах, при этом ученым известно, что за синтез этого химического соединения отвечают 24 различных гена из 4500 генов E.coli.
В своей работе ученые приготовили несколько синтетических вариантов каждого из этих 24 генов, выделив оригинальные последовательности из природного штамма, разделив их на отрезки в 90 нуклеотидов (единичных "букв" ДНК) и снабдив каждый отрезок какой либо мутацией – заменой, добавлением или удалением того или иного нуклеотида.
Разработанная ими эволюционная установка позволяет внедрить эти варианты в геном бактерий в автоматическом режиме. Это внедрение происходит случайным и неконтролируемым образом в результате чего некоторые бактерии перестают синтезировать ликопин, а некоторые получают возможность синтезировать его гораздо эффективнее.
Отследить за этой способностью бактерий можно так же автоматически с помощью прибора, фиксирующего интенсивность окраски штаммов, так как ликопин имеет красный цвет. После первого этапа прибор автоматически отбирает штаммы, наиболее эффективно синтезирующие ликопин (с наиболее яркой окраской), и цикл внедрения в бактерии новых случайных мутаций повторяется вновь.
В итоге за три дня непрерывной работы установки по внедрению случайных мутаций в E.coli ученые сумели заставить бактерии производить ликопин в 500 раз эффективнее, чем природные штаммы.
"Мы ускорили эволюцию бактерий за счет искусственно введенных мутаций и тестирования 15 миллиардов генетических вариантов E.coli. С помощью последовательного процесса генного модифицирования эта работа растянулась бы на годы", – сказал Харрис Ванг один из соавторов исследования.
Главные темы