Схема замены генетического кода фрагмента белка с природного типа на «перекодированный».

Nili Ostrov et al., Science, 2016

Биологи из Гарварда, MIT и нескольких других американских институтов рассказали о работе над полногеномной заменой генетического кода у кишечной палочки. В перспективе, это позволит создать специальную «искусственную» бактерию, которая неспособна размножаться вне пределов лаборатории и при этом полностью устойчива ко всем существующим вирусам. Работа группы под руководством Джорджа Черча пока далека от завершения, однако уже опубликована в Science.

Генетический код определяет соответствие между последовательностью нуклеотидов в генах и теми аминокислотами, из которых строятся белки на основе этих генов. Каждые три нуклеотида (кодон) кодируют одну аминокислоту. Поскольку существует 64 варианта триплетов нуклеотидов, а основных аминокислот в белках всего 20, многие из кодонов синонимичны, то есть кодируют одну и ту же аминокислоту.

Идея авторов заключалась в том, чтобы заменить некоторые (преимущественно редкие) кодоны их синонимами, причем сделать это во всем геноме полноценной бактерии. Такая бактерия обладала бы некоторыми интересными свойствами. При достаточно большом количестве выкинутых кодонов (по крайней мере более трех) она, например, была бы полностью устойчива к любым существующим вирусам, поскольку вирусная генетическая информация в ней стала бы просто «нечитаема». Соответственно, и получать полезную, но не «адаптированную» генетическую информацию из внешней среды (гены устойчивости к антибиотикам и т. д.) она бы не могла, что важно для биотехнологического применения. Кроме того, в белки такой бактерии можно вводить искусственные, не встречающиеся в природе аминокислоты и химические группы, — например, для синтеза каких-то новых лекарств или промышленных веществ. Причем делать это можно стандартными молекулярно-биологическими методами, не разрабатывая систему каждый раз заново.

Сложность создания такой бактерии заключается в том, что нужно заменить выбранные триплеты ДНК во всем геноме, причем сделать это не для одного гена, а для всего генома. Ранее подобные работы по замене кодонов уже проводились (и группой Чёрча в том числе — ученые удаляли из генома кишечной палочки один из стоп-кодонов), однако масштаб их был существенно меньше. Однако когда речь идет о замене семи кодонов во всем геноме, как это запланировано в настоящей работе, это не только требует введения очень большого числа изменений (148955 нуклеотидных замен), но и грозит возникновением разнообразных непредвиденных негативных эффектов, которых при работе только со стоп-кодонами не бывает.

Работа проводилась следующим образом. Ученые отобрали семь достаточно редких кодонов, которые можно было бы удалить вместе с распознающей их тРНК. Затем авторы создали программу, которая позволяет на основе известной последовательности генома (использовалась уже минимизированная, «очищенная» версия генома кишечной палочки) заменить выкидываемые кодоны на их синонимы.

При выборе замены учитывалось множество факторов, которые потенциально могут повлиять на жизнеспособность организма: ученые старались предсказать и максимально сохранить важные свойства исходной ДНК. Например, программой корректировалась доля GC-нуклеотидов (она влияет на механическую жесткость ДНК и многое другое), сохранялись сайты посадки рибосом и те места в матричной РНК, где она образует вторичную структуру.

Скорость роста бактерий с частично замененным геномом. Показаны штаммы с отдельными синтетическими сегментами: чем выше точка, тем «более поломанным» является сегмент.

Nili Ostrov et al., Science, 2016

 

В результате программа выдавала несколько тысяч отредактированных фрагментов, которые уже синтезировали химическим способом в цепочки длиной 2-4 тысячи оснований. Эти фрагменты помещали в дрожжи, где из них с помощью рекомбинации собирали 55 крупных сегментов нового генома. Каждый из крупных сегментов затем индивидуально тестировался в «обычной» кишечной палочке — ученые проверяли, насколько замедляется рост бактерии, если природный кусок генома заменить на синтетический с измененным генетическим кодом. Причем, как и ожидалось, эффективности компьютерных предсказаний в некоторых случаях было недостаточно: многие сегменты «не работали» в бактерии из-за замены важных участков, которые нельзя было найти in silico. С ними приходилось работать «вручную».

В итоге на момент публикации ученые проверили работоспособность 63 процентов синтетического генома (он получил название rE.coli-57), причем 91 процент проверенных генов сохранил свою работоспособность. Однако работа над синтетическим геномом на этом еще не закончена (возможно, из-за финансовых трудностей). Общую стоимость проекта авторы оценивают в один миллион долларов.

Усовершенствование природных микроорганизмов на глубинном молекулярно-биологическом уровне относится к синтетической биологии и идет сейчас разными путями. Помимо замены кодонов (которая началась еще в конце 80-х с работы Шульца) ученые, например, пытаются встраивать в геном новые, полностью синтетические пары оснований, которые расширяют информационную емкость ДНК и увеличивают пространство генетического кода. Другим путем идет, например, Институт Крейга Вентера, который недавно доложил о создании бактерии с полностью синтетическим минимальным геномом. Подробнее об этой работе можно прочитать здесь.

19.08.2016 Источник: Александр Ершов nplus1.ru

Расположение гиппокампа (голубой цвет) в мозге Life Science Databases / Wikimedia Commons

Американский стартап Kernel сообщил о начале разработки имплантируемого устройства, предназначенного для улучшения памяти и обучаемости у людей с их нарушениями, пишет The Washington Post.

Концепция устройства основана на работах директора Центра нейротехники при Университете Южной Калифорнии Теда Бергера (Ted Berger), который занял пост научного руководителя новой компании. В ходе 20-летних экспериментов его лаборатория регистрировала электрическую активность нейронов гиппокампа (отдела мозга, играющего ключевую роль в процессах запоминания и обучения) во время восприятия информации и преобразования ее в долгосрочную память.

На основании полученных данных ученые построили математическую модель этого процесса и провести успешные опыты по стимуляции запоминания на грызунах и приматах. Как рассказал Бергер в интервью IEEE Spectrum, в настоящее время проходят пилотные испытания методики на людях, и их предварительные результаты обнадеживают. По его мнению, настало время создать устройство для клинического применения.

Согласно проекту, прибор будет представлять собой микропроцессор, который с помощью имплантированных в гиппокамп электродов будет регистрировать сигналы от нейронов, воспринимающих информацию, обрабатывать их и стимулировать нейроны, отвечающие за преобразование информации в долгосрочные воспоминания.

Бергер подчеркнул, что разработка устройства, которое он называет нейропротезом, займет немало времени. По его словам, ему удалось обнаружить общий принцип кодирования запоминаний у крыс, но у приматов, включая людей, сделать это гораздо сложнее (в крысином мозге в среднем около 200 миллионов нейронов, а в человеческом — 86 миллиардов). Для этого потребуется собрать большой объем данных, и коллектив Kernel уже приступил к экспериментам на пациентах с эпилепсией, которым электроды имплантированы в мозг по медицинским показаниям.

Прибор будет предназначен для стимуляции памяти и обучения у людей с болезнью Альцгеймера и другими формами деменции (приобретенного слабоумия), а также перенесших инсульт или травму мозга.

 

Схема работы прибора

Исполнительным директором и основным инвестором Kernel стал предприниматель Брайан Джонсон (Bryan Johnson), который в 2013 году продал свою платежную систему Braintree компании PayPal за 800 миллионов долларов. В научный совет стартапа вошли эксперты из Калифорнийского и Массачусетского технологических институтов, Стэнфордского университета, Университета Южной Калифорнии и Института Крейга Вентера.

Идея электростимуляции различных структур мозга не нова. Эта методика уже используется клинически для помощи пациентам с эпилепсией, паркинсонизмом, депрессией и другими неврологическими расстройствами. Однако подобные эксперименты по воздействию на интеллектуальные функции гораздо более сложны, имеют меньшую теоретическую базу и вызывают немало этических дебатов, из-за чего находятся на гораздо более ранних стадиях.

В одном из таких опытов ученым удалось улучшить кратковременную память пациентов с шизофренией путем стимуляции мозга постоянным током (микрополяризации). Этот же метод применили для ускорения обучения пилотов. Американские военные также интересуются электростимуляцией мозга: их Управление перспективных оборонных разработок (DARPA) профинансировало часть экспериментов Бергера, а также заключило с компанией Halo Neuroscience контракт на создание системы ускоренного обучения снайперов.

17.08.2016 Источник: nplus1.ru

Продолжение читайте ЗДЕСЬ:

«Запомним всю «Википедию». Можно ли улучшить память электронным чипом