Нов щам E. coli ускорява еволюцията на гени по наш избор
Генетичните мутации са от съществено значение за иновациите и еволюцията. Въпреки това, ако те се натрупат твърде много или често се срещат грешни, могат да станат фатални. Изследователи от Кеймбридж създадоха синтетична система за репликация на ДНК в E. Coli. Те могат да я използват като безрисков начин за генериране и изследване на такива мутации. Тя е ортогонална, защото е напълно отделена от системата, която E. coli използва, за да копира действителния си геном. Последният съдържа гените необходими на E. coli, за да оцелее.
Гените в ортогоналната система се копират със склонен към грешки ензим за репликация на ДНК. Той стимулира бързата еволюция чрез генериране на много случайни мутации. Това се случва, докато гените на E. coli се репликират от нормален ензим за копиране на ДНК с висока точност. Двата ензима работят паралелно един с друг, като всеки прави своето, но не се намесва в работата на другия.
Бърза мутация
Учените заимстват идея от природата. Дрождите разполагат със система като тази с набор от гени копирани от специален ензим, който не репликира останалата част от генома. Но с E. coli се работи много по-лесно, отколкото с дрожди. Нейната популация може да се удвои за 20 минути, така че да извършите много кръгове на репликация и еволюция сравнително бързо.
Изследователите са генерирали системата чрез ограбване на фаг (вирус, който заразява E. Coli). Те изваждат всички гени на фага, които му позволяват да расте неконтролируемо, докато не се пръсне клетката на E. coli, която е заразена. Методът запазва само гените, отговорни за копирането на генома на фага. След като те бъдат вмъкнати в генома на E. coli, тя може едновременно да репликира поне три различни поредици от гени, поставени до нея в ДНК, като ги поддържа в продължение на повече от сто поколения.
Всичко това позволява копирането на останалата част от генома на E. Coli от други ензими.
Учените променят скоростта на мутация на ортогоналния ДНК-репликиращ ензим. Те го увеличават до 1000 пъти. За да проверят дали системата може да се използва за развиване на нови функции, те вмъкват ген за резистентност към един антибиотик и установяват, колко време ще му отнеме, за да мутира в такъв, придаващ резистентност към друг антибиотик. В рамките на дванадесет дни, учените получават 150 пъти по-голяма резистентност към новия антибиотик.
Детоксикация
Вече съществуват доказателства за това, колко мощен може да бъде този подход. Екипът ръководи еволюцията на ензима по старомодния начин. Чрез последователни кръгове на произволна мутагенеза и селекция за желаната черта.
Неотдавна учените генерираха ензим, който може да биоразгради летливи метил силоксани. Ежегодно се произвеждат тонове от този продукт и се влагат в почистващи препарати, шампоани, лосиони или промишлени продукти. За съжаление оставят следа в околната среда. Те съдържат въглерод-силициеви връзки, които никога не са съществували, докато хората не са ги изобретили преди около 80 години. Тъй като природата никога не е създавала тези връзки, няма и естествен начин да ги разкъса.
Еволюцията със силоксан е особено предизвикателна поради различни технически причини. Използвания ензим, за разлика от естествения, показва малка част от активността за разцепване на силоксановата Si-C връзка. Цялостният проект обаче, от първоначалното откритие до крайното изобретение отнема няколко години.
Това е само първата стъпка към възможното превръщане на силоксаните в биоразградими. Ускорената непрекъсната еволюция, която новата ортологична система позволява ще улесни значително развитието на ензими и други протеини като този, които ще имат приложения в научните изследвания, медицината и индустрията.
