Естественный отбор для искусственной жизни

Все живые организмы за очень и очень редким исключением используют для построения своего организма двадцать основных, или канонических, как говорят биохимики, аминокислот. Этих двадцати кирпичиков хватило природе для создания необычайно разнообразных форм жизни, заселивших все уголки планеты.

Но достаточно ли двадцати аминокислот для полноценной эволюции? Отбросила ли природа лишнее, остановившись на этом наборе? И не будет ли эволюция живого более эффективной, если к двадцати каноническим аминокислотам добавить парочку «неканонических»?

Питер Шульц и Воун Шмайдер из Исследовательского института имени Скриппс в Калифорнии первыми решились перейти от подобных дискуссий к делу и поставить эксперимент, хоть отчасти способный ответить на этот фундаментальный вопрос. О том, насколько эволюция на основе 21 аминокислоты более эффективна, ученые рассказали в статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

По всей строгости за такой эволюцией надо наблюдать в течение нескольких сотен тысячелетий, фиксируя скорость развития организмов, увеличение их разнообразия и собственно конкурентоспособности по отношению к «обычным». Но если учесть, что возможность управлять работой генома появилась у ученых только несколько десятилетий назад, то требовать от них подобного масштаба работы пока не приходится.

Это не помешало Шульцу и Шмайдеру провести скромный, но от этого не менее результативный эксперимент. Ученые решили отследить развитие одной функции у очень простых и быстро размножающихся организмов – бактерий.

Первая проблема, с которой столкнулись ученые, – вставить чужеродную аминокислоту в синтезируемый белок. В бактериальных, как и в наших, клетках сборка аминокислот в пептидную цепочку осуществляется по матрице – последовательности нуклеотидов в информационной РНК (иРНК), выстроенной, в свою очередь, по образу и подобию ДНК.

Но отдельными буквами в этой последовательности стоит считать не нуклеотиды, а кодоны – тройки нуклеотидов, которым соответствует та или иная аминокислота. И, как в любом предложении, не обходится и без «знаков препинания», тоже состоящих из трех нуклеотидов. Причем роль этих знаков может варьировать от организма к организму.

То есть кодоны, ничего не кодирующие в одном живом существе, в другом могут соответствовать вполне определенной аминокислоте.

Это обеспечивается разницей в логистике. Аминокислоты доставляются к месту сборки пептидной цепи на транспортных РНК. И, опять же, каждой аминокислоте соответствует одна тРНК, имеющая форму «листа клевера». С одного конца у такой тРНК участок для адресного связывания с иРНК (на которой записана генетическая информация), а с другого – участок для контакта с аминокислотой. То есть многочисленные тРНК выступают в роли посредников, обеспечивающих своевременную доставку аминокислот к месту сборки пептидов и при этом точное воспроизведение последовательности, записанной в иРНК.

У некоторых организмов ряд тРНК просто отсутствует, из-за чего определённые триплеты на иРНК по умолчанию получаются «некодирующими» – клетка не может сопоставить с ними ни одну аминокислоту просто из-за отсутствия посредников.

Шульц и Шмайдер выделили несколько «некодирующих» кодонов в геноме бактерий кишечной палочки E.coli, и подобрали в других организмах несколько тРНК, которые способны сопоставить с этими кодонами аминокислоты.

Осталось только заменить канонические аминокислоты на хвосте «небактериальных» тРНК на неканонические.

В результате специалисты вывели несколько штаммов кишечной палочки, способных наряду с каноническими двадцатью аминокислотами использовать при строительстве белков одну из четырех искусственных аминокислот: пара-ацетил-фенилаланин, бипиридил-аланин, сульфотирозин и 4-бороно-фенилаланин.

После чего генетики устроили своим подопечным «соревнования» – некое подобие естественного отбора, в котором бактериям по человеческой генетической матрице «предлагалось» синтезировать антитела к гликопротеину gp120, входящему в оболочку ВИЧ и давно ставшему важной мишенью при разработке лекарств и вакцин.

Штаммы, наделенные способностью синтезировать антитела с сульфотирозином, делали это не просто лучше своих товарищей, а даже эффективней, чем антитела к gp120, выделенные из плазмы крови человека. Так что если бы речь шла о вирусе, поражающем не человека, а бактерий, то прокариоты, умеющие использовать 21 аминокислоту, обладали бы явным преимуществом.

Конечно, в паре с продемонстрированными плюсами идут и недостатки: например, введение дополнительных тРНК может нарушить образование других белков, отвечающих за не менее важные жизненные функции.

Осторожные специалисты, комментируя свою работу, уделили больше внимания возможности введения искусственных аминокислот в состав природных белков, однако вывод о том, что их система показывает возможность использования «расширенного» генетического кода для создания преимуществ в направленной эволюции белков, Шульц и Шмайдер сделали. Для того чтобы узнать, скажется ли это на окружающем нас животном мире и на нас самих в будущем, осталось только подождать, хотя измененных E.coli генетики на свободу вроде бы не отпускали.