Mutațiile genetice sunt esențiale pentru inovare și evoluție, dar prea multe – sau cele greșite – pot fi fatale. Deci, cercetătorii de la Cambridge au stabilit un sistem sintetic de replicare a ADN-ului „ortogonal”. E coli pe care le pot folosi ca o modalitate fără riscuri de a genera și studia astfel de mutații. Este ortogonal pentru că este complet separat de sistemul care E coli folosește pentru a copia genomul său real, care conține genele E coli trebuie să supraviețuiască.
Genele din sistemul ortogonal sunt copiate cu o enzimă de replicare a ADN-ului extraordinar de predispusă la erori, care stimulează o evoluție rapidă prin generarea multor mutații aleatorii. Asta continuă în timp E coliGenele lui sunt replicate de enzima normală de copiere a ADN-ului de înaltă fidelitate. Cele două enzime lucrează una alături de cealaltă, fiecare făcându-și propriile lucruri, dar fără a interfera cu genele celeilalte.
Mutație rapidă de inginerie
O idee grozavă, nu? Oamenii de știință l-au furat din natură. Drojdia are deja un sistem ca acesta, cu un set de gene copiate de o enzimă dedicată care nu reproduce restul genomului. Dar E coli este mult mai ușor de lucrat decât cu drojdia, iar populația sa se poate dubla în 20 de minute, astfel încât puteți obține o mulțime de runde de replicare și evoluție făcute rapid.
Cercetătorii au generat sistemul prin jefuirea unui fag, un virus care infectează E coli. Au scos toate genele fagilor care permit fagului să crească necontrolat până când izbucnește E coli celula pe care a infectat-o deschisă. Ingineria a lăsat doar o casetă care conținea genele responsabile de copierea genomului fagului. Odată ce această casetă a fost introdusă în E coli genomului, ar putea replica simultan cel puțin trei șiruri diferite de gene plasate lângă el în ADN, menținându-le timp de peste o sută de generații – toate în timp ce lăsând restul E coli genomul să fie copiat de alte enzime.
Oamenii de știință au modificat apoi rata de mutație a enzimei de replicare a ADN-ului ortogonal, crescând-o în cele din urmă de 1.000 de ori. Pentru a testa dacă sistemul ar putea fi folosit pentru a dezvolta noi funcții, au introdus o genă pentru rezistența la un antibiotic și au văzut cât de mult a durat până când gena respectivă se transformă într-una care conferă rezistență la un alt antibiotic. În douăsprezece zile, au obținut rezistență de 150 de ori mai mare la noul antibiotic. De asemenea, au introdus gena care codifică proteina verde fluorescentă și au crescut fluorescența acesteia de peste 1.000 de ori în cinci zile.
Detoxifiere în evoluție
Nu 20 de pagini mai târziu, în același număr al Science, laboratorul lui Frances Arnold are o lucrare care oferă dovezi despre cât de puternică ar putea fi această abordare. Această echipă a direcționat evoluția unei enzime în modul de modă veche: prin runde succesive de mutageneză aleatoare și selecție pentru trăsătura dorită. Arnold a câștigat Premiul Nobel pentru Chimie 2018 pentru evoluția dirijată a enzimelor, așa că știe despre ce este vorba. În această lucrare recentă, laboratorul ei a generat o enzimă care poate biodegrada metil siloxanii volatili. Facem megatone din acești compuși în fiecare an pentru a se lipi în produse de curățare, șampoane și loțiuni și produse industriale, dar ei persistă în mediu. Conțin legături carbon-siliciu, care nu au fost niciodată un lucru până când oamenii le-au făcut acum aproximativ 80 de ani; întrucât natura nu a făcut niciodată aceste legături, nu există nici o modalitate naturală de a le rupe.
„Evoluția direcționată cu siloxan a fost deosebit de provocatoare”, notează autorii în introducerea lor, din diverse motive tehnice. „Am pornit de la o enzimă pe care am proiectat-o anterior pentru alte chimie ale siloxanilor – acea enzimă, spre deosebire de enzima naturală, a arătat o mică activitate pentru scindarea legăturii Si-C siloxan. Totuși, proiectul general, de la descoperirea inițială până la descoperirea modului de măsurare a ceea ce ne doream, a durat câțiva ani”, a spus Arnold. Și este doar primul pas în posibila biodegradare a siloxanilor. Evoluția continuă accelerată pe care o permite noul sistem ortolog va facilita foarte mult dezvoltarea enzimelor și a altor proteine ca aceasta, care vor avea aplicații în cercetare, medicină și industrie.
Nu avem (încă) mașini care să poată asambla eficient porțiuni lungi de ADN sau să producă proteine. Dar celulele fac aceste lucruri extrem de eficient și E coli celulele au fost de multă vreme cele folosite în laborator ca mici fabrici, producând orice gene sau proteine programează cercetătorii în ele. Acum E coli pot fi folosite pentru încă o sarcină moleculară – pot fi mici focare de evoluție.
Science, 2024. DOI: 10.1126/science.adi5554, 10.1126/science.adk1281
Comentarii recente