I ricercatori hanno ricablato i geni di Escherichia coli per renderli resistenti ai virus

Molte delle caratteristiche essenziali della vita non devono necessariamente essere quelle che sono. L’opportunità gioca un ruolo importante nell’evoluzione e ci sono sempre percorsi alternativi che non sono mai stati esplorati, semplicemente perché qualunque cosa fosse stata precedentemente sviluppata era abbastanza buona. Un esempio di questa idea è il codice genetico, che converte l’informazione trasportata dal nostro DNA in una sequenza specifica di amminoacidi che compongono le proteine. Esistono dozzine di potenziali amminoacidi, molti dei quali possono formarsi spontaneamente, ma la maggior parte della vita utilizza un codice genetico basato solo su 20 di essi.

Negli ultimi due decenni, gli scienziati hanno dimostrato che non deve essere così. Se fornisci ai batteri l’enzima appropriato e un amminoacido alternativo, possono usarlo. Ma i batteri non utilizzeranno l’enzima e gli amminoacidi in modo molto efficiente, poiché tutti i buchi nel codice genetico sono già in uso.

In un nuovo lavoro, i ricercatori sono stati in grado di modificare il codice genetico dei batteri per sbloccare alcune nuove aperture. Poi hanno riempito quei buchi con amminoacidi innaturali, permettendo ai batteri di produrre proteine ​​che non sarebbero mai esistite in natura. Un effetto collaterale della riprogrammazione? I virus non possono riprodursi nei batteri modificati.

perso nella traduzione

Il codice genetico si occupa della traduzione, durante la quale l’informazione codificata nel DNA viene convertita in una proteina funzionale. La chiave di questo processo è un gruppo di piccole molecole di RNA chiamate RNA di trasferimento (o RNA). Gli RNA trascritti contengono un piccolo frammento di tre basi che possono essere abbinate mediante accoppiamento di basi, con le informazioni trasportate dal DNA. L’RNA può anche essere attaccato chimicamente a uno specifico amminoacido in un processo catalizzato da enzimi specifici.

Questa combinazione – tre basi specifiche accoppiate con un particolare amminoacido – è la chiave per la traduzione, cioè per abbinare le basi del DNA a uno specifico amminoacido.

Un codone di tre basi e quattro possibili basi (A, T, C e G) risulta in 64 possibili combinazioni di tre basi, chiamate codoni. Tre di questi codoni devono disattivare i segnali di traduzione quando viene raggiunta la fine della sequenza codificante le proteine. Questo lascia 61 codoni per soli 20 amminoacidi. Di conseguenza, alcuni amminoacidi sono codificati da due, quattro o anche sei diversi codoni.

Questa ridondanza nel codice è l’obiettivo del team di ricerca, con sede a Cambridge, nel Regno Unito. Alcuni anni fa, i ricercatori modifica completa coli batteri genoma Vengono rilasciati anche alcuni codoni ridondanti. Il team di ricerca ha modificato tutte le istanze di uno dei tre codoni di stop in uno degli altri codoni in modo che non ce ne fossero più istanze nell’intero genoma. Invece di usarlo per qualcosa, il codone è stato modificato per ridefinirlo.

I ricercatori hanno condotto esperimenti simili con i codoni per l’aminoacido serina. Invece di lasciare sei codoni che dicono «serina», il team ha modificato il totale fino a solo quattro cambiando ogni istanza dei due che hanno mirato a un diverso codone di serina.

(Questo può sembrare semplice, ma anche un piccolo genoma come Escherichia coli Ha migliaia di ciascuno di questi codoni distribuiti su milioni di coppie di basi. Modificare il codice genetico è di per sé un’impresa tecnica impressionante.)

tollerante del cambiamento

Sebbene i batteri non abbiano utilizzato i tre codoni modificati, potrebbero comunque farlo. Tutti i pezzi necessari per utilizzare i codoni – gli RNA trasportatori, gli enzimi che legano gli amminoacidi ad essi, ecc. – erano ancora lì. Per ragioni non del tutto chiare, i batteri modificati non erano particolarmente sani e crescevano più lentamente della loro fonte non modificata.

Per continuare il loro lavoro, i ricercatori hanno sviluppato un ceppo per trasportare meglio il codice genetico modificato. Hanno esposto i batteri ai mutageni e poi hanno coltivato molti campioni utilizzando un sistema automatizzato che ha determinato quando il campione stava crescendo bene e ha continuato a fornire al campione cibo fresco. (I batteri a crescita rapida diventano torbidi, il che consente loro di essere identificati.) Dopo alcuni round di picchi, è stata ripristinata una crescita quasi normale.

A quel punto, i ricercatori sono tornati indietro e hanno cancellato i geni per il trasferimento dell’RNA e gli enzimi che hanno permesso ai loro tre codoni modificati di funzionare. Con queste modifiche apportate, i codoni non venivano più utilizzati: non potevano più essere utilizzati.

Ancora una volta, questo problema ha rallentato la crescita batterica, anche se non è chiaro il motivo: o alcuni dei geni eliminati avevano altre funzioni o c’erano casi di codoni che i ricercatori hanno perso durante la modifica. Indipendentemente da ciò, hanno nuovamente mutato i batteri e selezionato un ceppo in cui è stata ripristinata gran parte della crescita. Quando tutto fu finito, gli scienziati avevano un ceppo che cresceva circa la metà di quanto cresceva naturalmente naturally coli batteri. Hanno anche tre codici completamente inutilizzati.

(Ad esempio, il team ha anche ottenuto la sequenza del genoma di questo ceppo finale per vedere quali mutazioni si sono verificate durante questo processo. Sebbene siano state identificate molte variazioni, nessuna era chiaramente correlata alla capacità di crescere utilizzando un codice genetico modificato. da allora ha incaricato alcuni studenti laureati di capire questo mistero.)

Nuovo codice, chi è?

Per assicurarsi che i tre codoni inutilizzati fossero rotti, i ricercatori li hanno infettati con virus. Le proteine ​​codificate da questi virus di solito includono codoni inutilizzati, quindi questo metodo fornisce un test per verificare se l’uso di codoni è davvero eliminato.

I batteri hanno superato il test. Nessun virus potrebbe crescere nei codoni, anche quando una miscela di cinque virus diversi è stata scaricata contemporaneamente nella coltura. Era chiaro che in questo ceppo, questi codoni semplicemente non potevano essere usati.

Questo è ciò che i ricercatori volevano in primo luogo (è giusto dire che non si sono proposti di produrre batteri antivirali). Ora possono iniziare a utilizzare i tre codoni di amminoacidi che la vita sulla Terra normalmente non usa.

I ricercatori hanno fornito ai batteri alcuni amminoacidi non nativi, insieme ai geni per trasferire l’RNA per collegare gli amminoacidi e l’enzima che avrebbe fatto il legame. Poi hanno iniziato a inserire il gene per una proteina non batterica che poteva essere tradotta solo usando i codoni che avevano ridefinito e hanno confermato che la proteina era stata sintetizzata e conteneva questi amminoacidi innaturali. Il team ha persino realizzato una versione che includeva tre diversi amminoacidi sintetici, dimostrando di aver già esteso il codice genetico.

I ricercatori sono stati anche in grado di creare ceppi che utilizzano un diverso set di tre amminoacidi sintetici. È quindi possibile formare un’ampia varietà di ceppi, ciascuno dei quali è destinato a utilizzare un diverso insieme di amminoacidi sintetici.

Interessante chimica dei polimeri

Gli autori non hanno continuato a mostrare nulla di pratico, ma ci sono molti potenziali usi per la ricerca. Gli amminoacidi sintetici non possono catalizzare reazioni né possibili né efficaci con il gruppo naturale di 20. Non dobbiamo necessariamente progettare un enzima che incorpori i nuovi amminoacidi; In alternativa, potremmo semplicemente provare a sviluppare la funzione in ceppi con un codice genetico esteso.

C’è anche il potenziale per qualche interessante chimica dei polimeri. Nelle reazioni chimiche che compongono la maggior parte dei polimeri, in genere utilizziamo solo un tipo di subunità di costruzione del polimero, poiché non è possibile controllare ciò che è correlato a ciò che accade. Ma le proteine ​​ti consentono di costruire una catena polimerica con il controllo completo sulla disposizione di ciascuna subunità perché puoi specificare la disposizione degli amminoacidi. Attraverso il codice genetico esteso, possiamo controllare a livello molecolare la formazione di polimeri.

Scienza, 2021. DOI: 10.1126 / Scienza. abg3029 (Informazioni sui DOI).