Бактерия с альтернативным генетическим кодом синтезирует неканонические полимеры

В природе 64 кодона кодируют 20 аминокислот. Генетический код вырожден, то разные кодоны могут кодировать одну аминокислоту. Ученые предположили, что удаление некоторых избыточных кодонов и соответствующих им тРНК приведет к возникновению клеток с новыми характеристиками.

Чтобы проверить это предположение, в 2019 году ученые из Кембриджа создали штамм Escherichia coli Syn61. В его геноме вместо шести кодонов ДНК, кодирующих серин, и трех стоп-кодонов использовались четыре и два кодона, соответственно. Избыточные кодоны заменили на синонимичные.

В новой работе та же группа ученых получила модификацию штамма Syn61Δ3, в которой были удалены потерявшие актуальность тРНК и фактор терминации трансляции. Такие бактерии росли медленнее, чем их предшественники с нормальным набором кодонов. При помощи случайного мутагенеза и автоматизированного отбора скорость роста удалось увеличить в штамме Syn61Δ3(ev5).

Исследователи заражали культуры бактерий фагом Т6 с литическим циклом. Syn61 и производный штамм, в котором был удален только фактор терминации трансляции, были уязвимы для бактериофага. Однако в культуре штамма Syn61Δ3 производство новых бактериофагов было ингибировано. Эффект напоминал действие гентамицина, антибиотика, подавляющего синтез белка. На рост таких бактерий заражение практически не влияло. Штамм Syn61Δ3 также был устойчив к коктейлю из фагов лямбда, P1vir, T4, T6 и T7.

Используя ставшие лишними кодоны, авторы работы заставили бактерии синтезировать неканонические полимеры и макроциклы. Внутри синтетического штамма экспрессировались гены, содержащие эти кодоны, и гены соответствующих им тРНК. Эти тРНК распознавали синтетические мономеры —лизин и фенилаланин с заместителями. Были также получены специальные аминоацил-тРНК-синтетазы. В результате клетки синтезировали неканонические гекса- и октаполимеры в количествах, сопоставимых с выходом при синтезе канонических белков.

Полученные результаты открывают путь к разработке новых классов соединений на основе искусственных мономеров. Дизайн таких полимеров может быть востребован в самых разных областях науки и индустрии, от получения биотерапевтических препаратов до биоматериалов.