Genóm baktérie E. coli prepísaný s viac než 100 000 zmenami v DNA

Vedci prelomovo prepracovali genóm baktérie Escherichia coli, čím otvárajú dvere pre výrobu nových proteínov a potenciálnu imunitu voči vírusom.

Výskumníci prekonali hranice tvorby syntetického života. Upravili genóm baktérie Escherichia coli tak, aby využívala len 57 zo 64 genetických kódov. Tento rozsiahly projekt, ktorý si vyžiadal syntézu a vloženie prepracovaného genómu do živej baktérie, otvára nové možnosti v biotechnológiách.

"Išlo o gigantické úsilie," hovorí Wesley Robertson z Laboratória molekulárnej biológie MRC v Cambridge. Cieľom tímu bolo dokázať uskutočniteľnosť, no 57-kódová E. coli, nazvaná Syn57, má aj komerčný potenciál. Ďalšími úpravami by sa Syn57 mohla stať odolnou voči vírusovým infekciám, čo by bolo výhodné pri priemyselnej výrobe proteínov pre lieky, potraviny alebo kozmetiku. Vírusy totiž využívajú hostiteľa na tvorbu proteínov, takže pri zmene kódu by vírusové proteíny boli nefunkčné.

Syn57 by sa dala využiť aj na produkciu proteínov obsahujúcich až 27 rôznych aminokyselín, zatiaľ čo prirodzené proteíny obsahujú len 20. Tieto syntetické proteíny by mohli vykonávať funkcie, ktoré sú s bežnými proteínmi nedosiahnuteľné. Proteín je reťazec aminokyselín poskladaný podľa genetickej informácie. Každý trojpísmenový kód (kodón) v DNA určuje, ktorá aminokyselina sa má pridať, alebo kedy sa má tvorba proteínu ukončiť.

Komentár redakcie: Prepísanie genómu E. coli s tak rozsiahlymi zmenami predstavuje významný krok vpred v syntetickej biológii. Hoci sú komerčné aplikácie ešte v nedohľadne, potenciál pre výrobu nových proteínov a vytvorenie organizmov odolných voči vírusom je obrovský. Je však dôležité zvážiť etické a bezpečnostné aspekty takejto technológie a zabezpečiť, aby sa vyvíjala zodpovedne.

Štyri písmená DNA umožňujú 64 rôznych kodónov. Organizmy na Zemi však na tvorbu proteínov využívajú len 20 aminokyselín, preto existuje redundancia – viacero kodónov kóduje tú istú aminokyselinu. Ak sa všetky výskyty jedného kodónu pre danú aminokyselinu nahradia iným kodónom pre tú istú aminokyselinu, prvý kodón sa uvoľní pre iné účely. Napríklad, môže kódovať neprirodzenú aminokyselinu alebo inú chemickú zlúčeninu, čo umožňuje tvorbu nových typov proteínov.

V teórii by sa dalo uvoľniť až 43 kodónov, pretože stačí 21: 20 pre aminokyseliny a jeden stop kodón. V praxi to zatiaľ nie je dosiahnuteľné, pretože čím viac zmien sa urobí v genóme, tým vyššia je pravdepodobnosť negatívnych dopadov. Preto biológovia začínajú s menšími zmenami. V roku 2011 vykonali 314 úprav v E. coli, aby uvoľnili jeden kodón.

Tvorba tisícov zmien je náročná, preto Robertsonov tím syntetizoval DNA od základu. V roku 2019 oznámili vytvorenie Syn61 s 18 000 zmenami v 4 miliónoch písmen DNA baktérie E. coli, čím sa uvoľnili tri kodóny. Spin-off spoločnosť Constructive.Bio vyvíja komerčné aplikácie.

Teraz vedci vykonali 101 000 zmien, aby uvoľnili sedem kodónov v Syn57. Dosiahli to testovaním malých fragmentov rekódovaného genómu v živých baktériách a opravou mnohých škodlivých zmien. Tento náročný proces opakovali s väčšími a väčšími fragmentmi, až kým nebol genóm kompletný.

"Ide o významný úspech, ktorý je výsledkom dlhoročnej práce," hovorí Akos Nyerges z Harvard Medical School. Jeho tím tiež pracuje na uvoľnení siedmich kodónov v E. coli, ale rekóduje iné kodóny. "Náš 57-kódový kmeň E. coli je stále vo vývoji," dodáva.

A hoci je Syn57 už hotová, rastie oveľa pomalšie ako normálne. Pre komerčné účely bude potrebné zlepšiť rýchlosť rastu. "Očakávame, že sa nám podarí zlepšiť rýchlosť rastu, aby bola užitočnejšia," hovorí Robertson.

Jeho tím sa teraz zameria na preskúmanie potenciálnych aplikácií Syn57 a neplánuje sa usilovať o uvoľnenie ďalších kodónov. "Musíme toho urobiť veľa predtým, než budeme premýšľať o ďalšom komprimovaní genetického kódu," uzatvára.

Prvá baktéria so syntetickým genómom bola vytvorená v roku 2010, no cieľom bolo vytvoriť zjednodušený organizmus, nie rekódovať kodóny.