Rescrierea codului genetic: Cel mai mare genom artificial creat vreodată în laborator dă naștere unui organism funcțional

Biotehnologie

Dr. Bianca Cucoș
29 mai 2019
Citit de 8378 ori.

Mesajul necesar construirii unui organism se află în secvența de piese care alcătuiesc ADN-ul. Odată cu Proiectul Genomului Uman a fost descifrat acest mesaj codificat în cele 3 miliarde de perechi de baze. Citirea ADN-ului a fost, însă, doar primul pas. Genomul poate fi și rescris de la zero.

O echipă de cercetători de la Universitatea Cambridge, condusă de Dr. Jason Chin a rescris în laborator ADN-ul unei specii de E. Coli. Acesta este cel mai mare genom artificial construit vreodată, fiind alcătuit din 4 milioane de perechi de baze, de 4 ori mai mare decât în cazul altor organisme modificate până în prezent. Pentru printarea întregii secvențe ar fi necesare 970 de pagini. Codul genetic al bacteriei se bazează pe 61 de codoni și nu pe 64 cum se întâmplă în toată lumea vie.

Noul organism se numește Syn61 și este mai lung decât bacteria naturală, crește mai lent însă este primul organism viabil cu cele mai multe modificări genomice posibile. Celulele sale produc aceleași proteine, dar folosind un cod genetic diferit. Datele studiului au fost publicate în Nature.

Aplicațiile dezvoltării unor organisme cu genom sintetic ar fi nenumărate, de la obținerea unor bacterii rezistente la infecții virale, până la crearea unor microorganisme care permit preluarea dioxidului de carbon din atmosferă sau producerea de vaccinuri. Echipa de la Cambridge lucrează în prezent la determinarea numărului minim de gene necesare pentru susținerea vieții.

Cum funcționează codul genetic?

Molecula de ADN are ca unități de bază nucleotidele. Există 4 tipuri de nucleotide în funcție de baza azotată pe care o conțin – adenină, timină, guanină și citozină. Codul genetic este setul de reguli care arată modul în care acest „alfabet” molecular alcătuit din 4 litere trebuie să producă cei 20 de aminoacizi naturali care intră în structura proteinelor.

Literele din alfabet capătă sens atunci când formează cuvinte, iar cuvintele formează propoziții. La fel și cele 4 litere din genomul uman sunt citite după reguli specifice pentru a căpăta sens și a construi un organism funcțional.

Francis Crick, unul dintre descoperitorii structurii ADN-ului a propus pentru prima dată conceptul de CODON pentru a defini secvența de nucleotide care dictează construirea unui aminoacid. Trei nucleotide succesive reprezintă un codon.

Codul genetic este universal, aproape toate organismele din lumea vie utilizează 64 de codoni. Dintre aceștia, 61 de codoni codifică cei 20 de aminoacizi naturali. Ceilalți 3 codoni au rolul de a stopa citirea mesajului, marchează încetarea sintezei proteice. De aceea, se discută despre o redundanță la nivelul codului genetic. Există mai mulți codoni decât aminoacizi. Un aminoacid poate fi determinat de mai mulți codoni. De exemplu, TTA, TTG, CTT, CTC, CTA, CTG sunt codonii care specifică aminoacidul leucină.

Relația inversă nu este valabilă. Un codon specifică un singur aminoacid. Mai mult decât atât, un alt element esențial este faptul că în codul genetic nu există suprapuneri. Cele trei nucleotide care intră în alcătuirea unui codon nu pot face parte și din codoni adiacenți.

Unii codoni sunt asociați cu un proces de translație mai rapid la nivelul ribozomilor, în timp ce alții sunt translatați mai lent. Astfel, codonii sunt procesați în mod diferit și pot influența asamblarea proteinelor.

Această redundanță nu este întâmplătoare și este utilă în anumite circumstanțe. Unele secvențe de ADN codifică atât o genă cât și o informație importantă pentru reglarea genei, astfel încât apar structuri ARN specifice cu rolul bine precizate. Activitatea genelor este reglată astfel mult mai bine. Anumite mesaje sunt decodificate conduc la apariția anumitor proteine mai ușor decât altfele.

Obiectivul echipei de la Cambridge a fost eliminarea codonilor redundanți pentru a observa setul minim de gene necesare unui organism să funcționeze.

Cum a fost obținut genomul artificial Syn61?

Cercetările au avut loc în cadrul Medical Research Councils (MRC) Laboratory of Molecular Biology și s-a optat pentru secvențierea și modificarea genomului bacteriei E. Coli datorită capacității acesteia de a supraviețui folosind un număr mic de gene.

În peste 18 000 de locuri s-au realizat multiple schimbări ale unor codoni cheie:

Fiecare codon TCG a fost înlocuit cu AGC, fiecare codon TCA a fost înlocuit cu AGT
Condonul stop TAG a fost înlocuit cu TAA

Odată ce s-a stabilit secvența genomului artificial, noul cod genetic a fost introdus în celule. Genomul a fost fragmentat în componente mai mici și noile piese au fost introduse treptat.

Anumiți codoni sinonimi determină producerea unor proteine diferite, iar unele caracteristici pot conduce la incapacitatea celulei de a supraviețui.

„Există multe căi prin care poți să recodifici un genom, însă acestea de cele mai multe ori sunt problematice. Celulele mor” – Dr. Chin.

Pe baza algoritmului propus de Dr. Chin, bacteria E. coli a supraviețuit folosind doar 59 de codoni care specifică toți cei 20 de aminoacizi și doi codoni stop în loc de trei.

Producerea unor molecule de ADN sintetic în laborator a fost raportată anterior la specii de drojdii și la bacteria Mycoplasma mycoides, însă genomul acestor organisme are până la 1 milion de perechi de baze. Genomul E. Coli are 4 milioane de perechi de baze.

Primul organism cu un genom complet sintetic, o specie de Mycoplasma mycoides, a fost produs în 2010 la Institutul Craig Venter. Proiectul a durat peste 15 ani, iar genomul bacteriei era mult mai mic decât cel de la E. coli.

În 2016 s-a lansat un alt proiect ambițios „Genome Project – write”, deschizând o nouă etapă a genomicii. Rescrierea mesajului genetic în laborator ar putea determina aplicații nelimitate în medicină și biologie, precum crearea celulelor care nu pot fi infectate de virusuri sau introducerea unor caracteristici care permit celulelor să reziste la transformarea canceroasă.

Adevărata provocare a înțelegerii genomului uman nu a fost descoperirea secvențelor care îl alcătuiesc, ci modul în care această informație poate fi folosită. Prima observație importantă a fost că, de fapt, doar 1-2% din genomul uman codifică produse funcționale și alcătuiește exomul, ceea ce a demonstrat complexitatea organizării materialului genetic.

Identificarea numărului minim de gene care poate susține viața este un alt punct cheie. La fel și extinderea „alfabetului” genetic, despre care s-a descoperit deja că este posibilă. În 2018, experții de la Scripps Research Institute au raportat rezultate fără precedent, folosind încă două tipuri de nucleotide, X și Y, pe lângă cele 4 de bază, pentru a obține proteine funcționale. Aceștia au creat primul organism semi-sintetic ce poate stoca o cantitate mult mai mare de material genetic.

Citește și