Найден первый синтетический фермент – катализатор искусственной жизни

Создание искусственных форм жизни с нуля кто-то называет технологиями будущего, а кто-то "игрой в бога". Однако нельзя не согласиться, что фантастические эксперименты в этой области всё же вызывают восхищение.

Конечно, в первую очередь, здесь требуется работа с генетическим и биологическим материалом, от которого зависят важнейшие процессы жизнедеятельности.

Настоящим прорывом можно считать исследование 2010 года, в ходе которого был создан первый синтетический геном бактерии. За ним последовало ещё больше удивительных открытий.

В 2017 году учёные поразили мир, создав первый в мире жизнеспособный полусинтетический организм, а вслед за ним пять синтетических хромосом. Более того, недавно полусинтетическая бактерия впервые "породила" совершенно новый белок.

Новая работа учёных из Принстонского университета ещё на один шаг приблизила науку к созданию искусственной жизни. Команда доказала, что по крайней мере один из новых синтетических белков может функционировать как фермент и участвовать в биологических реакциях.

На протяжении долгих лет профессор Майкл Хехт (Michael Hecht) вместе с коллегами создавал искусственные белки для кишечной палочки (Escherichia coli) – бактерии, которая обычно используется как модельный микроорганизм в большинстве экспериментов.

Искусственные белки, кодируемые синтетическими генами, составляют приблизительно 100 аминокислот в длину. При этом используется всего 20 аминокислот. В этом они мало чем отличаются от естественных белков: множество комбинаций аминокислот создаёт молекулы с большим разнообразием свойств.

Майкл Хехт поясняет: любая жизнь – это система биохимических реакций и катализаторов, то есть ускорителей тех самых реакций. Сами по себе реакции проходят недостаточно быстро, поэтому для поддержания жизненно важных процессов организму и необходимы катализаторы. Это белковые молекулы, известные как ферменты, или энзимы.

"Они – лучшие катализаторы во Вселенной, потому что эволюция потратила миллиарды лет, отбирая их. Ферменты могут увеличить скорость реакции на много порядков", — рассказывает профессор Хехт.

Его команда ещё в 2011 году создала несколько искусственных белков путём бинарного структурирования аминокислотных последовательностей. Ещё шесть лет понадобилось на то, чтобы выяснить, на что эти белки способны и каковы механизмы их функционирования.

Было бы наивно предполагать, что синтетический белок станет работать в точности как естественный, который он заменяет, подчёркивает Хехт. Поэтому учёным пришлось провести немало экспериментов, чтобы понять, за что могут отвечать новые белки.

Так, авторы обнаружили четыре гена, после удаления которых бактерии утрачивали важнейшие функции: они не могли производить фермент Fes, который клетки используют для получения железа. Выжить без этого фермента невозможно, но вот что интересно: искусственные белки в данном случае смогли реанимировать погибающий микроорганизм.

Эффективность работы синтетических белков оказалась разной. К примеру, два из них компенсировали недостающие функции и помогали клеткам осуществлять процессы жизнедеятельности. А вот другой белок работал несколько иначе – он сам оказался ферментом, способствующим получению железа.

"Этот искусственный белок Syn-F4 фактически являлся ферментом. Это был невероятный момент для меня – я не хотела ничего говорить, пока не повторила его (эксперимент – прим.ред.) несколько раз", — рассказывает ведущий автор исследования Энн Доннелли (Ann Donnelly).

По её словам, в присутствии белка Syn-F4 клетки внезапно стали вновь получать железо. Микроорганизмы образовывали большие здоровые колонии, в то время как без этого фермента они едва ли могли поддерживать жизнь и создавали лишь мелкие нездоровые колонии (это видно на главном фото: здоровые колонии – белые, больные – красные).

Вместе с коллегами Донелли провела ряд экспериментов, и лишь потом команда обрадовала своего руководителя.

"У нас есть совершенно новый белок, который способен поддерживать жизнь, фактически будучи ферментом, и это просто сумасшествие", — комментирует открытие Хехт.

Хотя из первоначального набора белков, которые должны были спасать бактерии после удаления генов, ферментом оказался только один, это уже серьёзный прорыв.

Возможности, которые открываются теперь перед наукой, поистине безграничны, считают авторы. Новые формы жизни могут использоваться для развития медицины, энергетики, пищевой промышленности, а также для исследований в астро- и эволюционной биологии.

"Мы больше не ограничены белками, производимыми природой, и мы можем за несколько месяцев создать белки, для развития которых потребовались бы миллиарды лет", — добавляет глава Института инноваций в области пищевых продуктов и здравоохранения Джастин Зигель (Justin Siegel).

Профессор Хехт добавляет, что работа предстоит грандиозная. Специалисты отбирают для экспериментов группы из нескольких отдельных генов, а ведь в одном только геноме кишечной палочки их четыре тысячи.

Пока что геном E. coli является искусственным лишь на 0,1%, но, когда этот показатель вырастет до 10-20%, это будет уже не просто "странная бактерия с некоторыми искусственными генами", а новый организм, заключает Хехт.

Статья по итогам удивительного исследования его команды опубликована в издании Nature Chemical Biology.

Напомним, что ранее искусственная бактерия показала, какие гены нужны для существования жизни.