Генетическая информация всех живых клеток хранится в ДНК, состоящей из четырех канонических азотистых оснований – аденина (А), цитозина ©, гуанина (G) и тимина (T). Международная группа ученых, развивающих молодую область наук о жизни – ксенобиологию, достигла успеха в создании бактерии, в ДНК которой тимин заменен синтетическим строительным блоком 5-хлорурацилом (с) – веществом, токсичным для других организмов.

Художественное изображение кишечной
палочки Escherichia coli.
(Credit: iStockphoto/Sebastian Kaulitzki)

В проекте, координаторами которого являлись Руперт Мутцель (Rupert Mutzel) из Института биологии Свободного берлинского университета (Institut für Biologie, Freie Universität Berlin) и Филипп Марльер (Philippe Marlière) из Heurisko USA Inc., принимали участие ученые из Франции и Бельгии. Как сообщается в статье, опубликованной в последнем номере журнала Angewandte Chemie International Edition, эксперименты основывались на уникальной технологии, разработанной Марльером и Мутцелем, позволяющей управлять эволюцией организмов в строго контролируемых условиях. В течение длительного времени большие популяции микробных клеток культивировались в присутствии в питательной среде токсичного химического вещества – в данном случае, 5-хлорурацила – в сублетальной концентрации. Это привело к появлению генетических вариантов, способных противостоять высоким концентрациям этого вещества.

В ответ на появление в клеточной популяции таких вариантов концентрация токсичного вещества в среде увеличивалась, поддерживая, таким образом, постоянное селективное давление. Этот автоматизированный процесс длительной эволюции был применен, чтобы адаптировать генетически модифицированную кишечную палочку Escherichia coli, неспособную синтезировать естественное азотистое основание тимин, к росту при повышающихся концентрациях 5-хлорурацила. Примерно через 1000 поколений были получены потомки исходного штамма, которые использовали 5-хлорурацил в качестве полноценной замены тимина. Последующий анализ генома выявил многочисленные мутации в ДНК адаптировавшихся бактерий. Вклад этих мутаций в адаптацию клеток к галогенированному основанию будет предметом дальнейших исследований.

Используя автоматизированную селекцию, ученые
получили штамм Escherichia coli, неспособный
синтезировать одно из азотистых оснований – тимин.
Химически модифицированные микроорганизмы в
качестве полноценной замены тимина используют
галогенированный нуклеотид – 5-хлорурацил.
Развивающиеся клетки первоначально наблюдаются
как иррегулярные филаменты и постепенно
приобретают вид коротких палочек, типичный
для дикого вида E. coli.
(Image: onlinelibrary.wiley.com)

Помимо очевидного интереса, который столь радикальное изменение в химии живых систем представляет для фундаментальной науки, ученые считают результаты своей работы важными и для раздела синтетической биологии – ксенобиологии. Эта молодая область наук о жизни имеет своей целью создание новых организмов, не встречающихся в природе и обладающих метаболическими чертами, оптимизированными для производства энергии альтернативными способами или для синтеза крайне дорогостоящих химических веществ. Считается, что такие организмы, как и ГМО, представляют собой потенциальную угрозу для природных экосистем в случае их «утечки» из лабораторий. Реальная опасность заключается либо в прямой конкуренции с организмами дикого типа, либо в распространении их «синтетической» ДНК.

Ученые признали, что они не могут гарантировать того, что инженерные формы жизни никогда не попадут в природную среду, так же как невозможно полностью предотвратить «просачивание» радиоактивных изотопов, происходящее в окрестностях атомных электростанций. Однако синтетические организмы, полученные Марльером и Мутцелем, полностью зависимые от наличия в среде веществ, не встречающихся в природе, или содержащие в своем генетическом материале – ДНК – ненатуральные строительные блоки, не смогут ни обмениваться генетическим материалом с организмами дикого типа, ни составить им конкуренцию. Они просто погибнут в отсутствии ксенобиотика.

Аннотация к статье Chemical Evolution of a Bacterium's Genome