Genų mutacijos yra būtinos naujovėms ir evoliucijai, tačiau per daug jų – arba netinkamos mutacijos – gali būti mirtina. Taigi Kembridžo mokslininkai sukūrė dirbtinę „stačiakampio“ DNR replikacijos sistemą coli bakterijų Jie gali jį naudoti kaip nerizikingą būdą tokioms mutacijoms generuoti ir tirti. Jis yra stačiakampis, nes yra visiškai atskirtas nuo sistemos, kurioje yra coli bakterijų Jis naudojamas faktiniam genomui, kuriame yra genai, kopijuoti coli bakterijų Jam reikia pasilikti.

Ortologinės sistemos genai yra transkribuojami naudojant neįprastai klaidų linkusį DNR replikacijos fermentą, kuris skatina greitą evoliuciją generuodamas daugybę atsitiktinių mutacijų. Tai tęsiasi kurį laiką coli bakterijųs genus replikuoja natūralus DNR replikacijos fermentas HD. Abu fermentai veikia vienas šalia kito, kiekvienas atlieka savo darbą, bet netrukdo kitų genams.

Greito viršįtampio inžinerija

Tai puiki idėja, ar ne? Mokslininkai jį pavogė iš gamtos. Mielės jau turi tokią sistemą su genų rinkiniu, nukopijuotu tam skirto fermento, kuris neatkartoja likusio genomo. bet coli bakterijų Su ja daug lengviau dirbti nei su mielėmis, o per 20 minučių jis gali padvigubėti, todėl galite atlikti daug kartojimų ir greitai tobulėti.

Mokslininkai sukūrė sistemą užgrobę fagus – virusą, kuris užkrečia žmones coli bakterijų. Jie pašalino visus fago genus, kurie leidžia fagui nekontroliuojamai augti, kol jis sprogsta coli bakterijų Užkrėsta ląstelė yra atvira. Inžinerija paliko tik grandinę, kurioje yra genai, atsakingi už fago genomo kopijavimą. Įdėjus šią kasetę coli bakterijų Genome, jis vienu metu gali replikuoti mažiausiai tris skirtingas genų sekas, esančias šalia jo DNR, išlaikydamas jas daugiau nei šimtą kartų – visa tai palikdamas likusius genus. coli bakterijų Genomas turi būti kopijuojamas kitų fermentų.

Tada mokslininkai pakoregavo ortologinio DNR replikacijos fermento mutacijos greitį, galiausiai padidindami jį 1000 kartų. Norėdami patikrinti, ar sistema gali būti naudojama kuriant naujas funkcijas, jie įvedė atsparumo vienam antibiotikui geną ir stebėjo, kiek laiko užtruko, kol tas genas mutavo į geną, suteikiantį atsparumą kitam antibiotikui. Per dvylika dienų jie tapo 150 kartų atsparesni naujajam antibiotikui. Jie taip pat įterpė geną, koduojantį žalią fluorescencinį baltymą, ir per penkias dienas padidino jo fluorescenciją daugiau nei 1000 kartų.

Detoksikacijos evoliucija

Mažiau nei po 20 puslapių tame pačiame Science numeryje Frances Arnold laboratorija turėjo dokumentą, įrodantį šio požiūrio galią. Ši komanda nukreipė fermentų evoliuciją senamadišku būdu: per nuoseklius atsitiktinių mutacijų etapus ir pasirinkdama norimą požymį. Arnold laimėjo 2018 m. Nobelio chemijos premiją už kryptingą fermentų evoliuciją, todėl ji žino, apie ką kalba. Šiame naujausiame darbe jos laboratorija sukūrė fermentą, kuris gali skaidyti lakiąjį metilsiloksaną. Kasmet pagaminame megatonų šių junginių, kurie prilimpa valymo priemonėse, šampūnuose, losjonuose ir pramoniniuose gaminiuose, tačiau lieka aplinkoje. Juose yra anglies ir silicio jungčių, kurios niekada neegzistavo, kol žmonės jų nesukūrė maždaug prieš 80 metų; Kadangi gamta niekada nesukūrė šių ryšių, nėra ir natūralaus būdo juos nutraukti.

„Tiesioginė evoliucija naudojant siloksaną buvo ypač sudėtinga“, – savo įžangoje pažymi autoriai dėl įvairių techninių priežasčių. „Mes pradėjome nuo fermento, kurį anksčiau buvome sukūrę kitai chemijai su siloksanais – šis fermentas, skirtingai nei natūralus fermentas, parodė nedidelį aktyvumą skaidydamas Si-C siloksano ryšį. Visas projektas nuo pirminio atradimo iki išsiaiškinimo Kaip išmatuoti tai, ko mes norėjome, tai užtruko kelerius metus.” Tai tik pirmas žingsnis, kad siloksanai būtų biologiškai skaidūs. Tikimasi, kad nuolatinis, pagreitintas naujosios ortosterinės sistemos vystymasis palengvins kitų fermentų ir baltymų, pvz., jos bus pritaikytos moksliniams tyrimams, medicinoje ir pramonėje.

Mes (dar) neturime mašinų, kurios galėtų efektyviai surinkti ilgus DNR ruožus arba gaminti baltymus. Tačiau ląstelės šiuos dalykus atlieka labai efektyviai ir coli bakterijų Ląstelės jau seniai buvo naudojamos laboratorijoje kaip mini gamyklos, gaminančios bet kokius genus ar baltymus, kuriuos tyrėjai į jas programuoja. dabar coli bakterijų Jie gali būti naudojami kitai molekulinei užduočiai: jie gali būti maži evoliucijos taškai.

Mokslas, 2024 m. DOI: 10.1126/science.adi5554, 10.1126/science.adk1281