Биологи защитили бактерию от вирусов с помощью «генетического файрвола»

Все живые организмы и многие «не вполне живые» вирусы используют ДНК в качестве хранилища генетической информации. Более того, универсальны и принципы, на основе которых кодирующие области ДНК используются для синтеза других биомолекул — РНК и белка.

Именно общность генетического кода позволяет вирусам использовать клетки — для копирования их собственных геномов и сборки новых вирусных частиц. Она же делает возможными создание ГМО и горизонтальный перенос генов — то есть заимствование ДНК одной клетки другой, что характерно прежде всего для бактерий.

Со всем этим беспорядочным потоком ДНК решили побороться авторы новой статьи в ведущем научном журнале Nature. Они создали «генетический файрвол», останавливающий попадание в клетку и вовне ее чужеродных генов, которые переносят вирусы и так называемые мобильные генетические элементы (транспозоны). Для этого биологи модифицировали геном кишечной палочки (Escherichia coli) таким образом, чтобы вирусы в итоге в принципе оказались не способны ее заражать.

Для начала авторы решили просто убрать некоторые из кодонов (единица хранения генетической информации в ДНК, три последовательных нуклеотида) из генома бактерии. Так они получили «сжатый» геном (condensed) E. coli, который использует всего 61 кодон вместо обычных 64. Однако это не сработало: некоторые вирусы смогли приспособиться к изменениям генома и по-прежнему заражали клетки.

Поэтому исследователи перешли к другой стратегии: они поменяли смысл двух кодонов — вместо одной аминокислоты (серина) те стали кодировать другую (лейцин). Две молекулы очень сильно отличаются, поэтому замена серина на лейцин приводит к поломке синтезируемого вирусного белка и невозможности копирования самого вируса.

Действительно, полученные штаммы бактерий приобрели устойчивость ко всем 12 вирусам (бактериофагам), которыми их попытались заразить.

Оказалось, что «файрвол» в ДНК к тому же эффективно предотвращает неконтролируемый перенос чужеродных генов, что подтвердили с помощью небольшой кольцевой ДНК (плазмиды). Это чрезвычайно важно для того, чтобы модифицированные и перенесенные из одного генома в другой гены не могли попасть в окружающую среду и какие-то другие организмы. Такая «утечка генов» представляет собой одно из главных опасений, ограничивающих применение ГМО.

Кстати, чтобы новая, устойчивая к вирусам и потому более жизнеспособная E. coli сама не могла «сбежать» из лаборатории и натворить бед, ученые сделали ее зависимой от особой аминокислоты. В природе это соединение отсутствует, и потому модифицированная бактерия там попросту не выживет.

Новая работа имеет огромное значение, ведь она может стать основой для получения клеток, которые полностью нечувствительны к вирусам и прочим формам чужеродного генетического материала. Авторы надеются, что это открывает перспективы радикального решения проблемы вирусных инфекций.