Ученые сократили генетический код кишечной палочки до 57 кодонов

Бактерии с синтетическим геномом. Автор: Лариса Улиско

ДНК почти всех живых организмов на Земле содержит множество избыточностей, и ученые давно задавались вопросом — имеют ли эти избыточности какое-то назначение или являются просто «эволюционным мусором». Как ДНК, так и РНК состоят из кодонов — последовательностей из трех нуклеотидов, которые либо кодируют определенную аминокислоту, либо сигнализируют клетке о прекращении синтеза белка.

Всего существует 64 возможных комбинации кодонов, и они практически универсальны для всей жизни на Земле. Однако многие из них избыточны: клетки используют лишь 20 аминокислот, 61 кодон задействован в синтезе белков, а 3 служат стоп-сигналами.

Некоторые исследования предполагают, что избыточность кодонов может защищать ДНК от мутаций, но сокращение генетического кода путем удаления ненужных элементов также может быть полезным. В 2019 году группа ученых сократила геном кишечной палочки (E. coli) с 64 до 61 кодона, внеся 18 214 изменений. Полученный штамм назвали Syn61 — он оказался устойчивым к вирусам и теперь используется для создания более надежных лекарств и производства новых материалов.

Теперь другая группа исследователей (включая участников проекта Syn61) смогла сократить генетический код E. coli до 57 кодонов, создав штамм Syn57. Их работа опубликована в журнале Science.

Дальнейшее сокращение потребовало колоссальных усилий. Команда внесла более 101 000 изменений, разделив геном на 38 секций и заменив избыточные кодоны на их синонимы — кодоны с аналогичной функцией. Каждое изменение проверялось на жизнеспособность бактерий перед следующим шагом.

«Поиск и исправление ошибок на каждом этапе синтеза часто оказывались критически важными для перехода к следующему шагу. Наши эксперименты демонстрируют подход, при котором дефекты выявляются и устраняются на ранних стадиях, а более сложные проблемы решаются по мере сборки генома», — объясняют ученые.

В итоге команда успешно сократила генетический код до 57 кодонов, заменив шесть смысловых кодонов и один стоп-кодон их синонимами. Полученные бактерии оказались жизнеспособными, но росли примерно в четыре раза медленнее исходного штамма — проблему, которую ученые надеются решить в будущем. При этом у нового штамма обнаружился уникальный профиль экспрессии генов, что указывает на глубокую физиологическую адаптацию.

Возможные применения Syn57 включают создание вирусоустойчивых организмов для биотехнологий и промышленности, а также синтез белков и полимеров с новыми свойствами. Ученые оптимистично оценивают потенциал своего открытия и задаются вопросом, существуют ли пределы сокращения числа кодонов или создания организмов с принципиально новой биохимией.

«Эта работа показывает, как синтез геномов может выводить последовательности ДНК в области, недоступные для естественной жизни», — отмечают авторы исследования.

Дополнительная информация: Wesley E. Robertson et al, Escherichia coli with a 57-codon genetic code, Science (2025). DOI: 10.1126/science.ady4368