Первый живой организм с расширенным ДНК-алфавитом

Источник: Physorg

Ученые из Научно-исследовательского института Скриппса (США) создали бактерию, генетический материал которой включает дополнительную пару ДНК-оснований ("букв"), не встречающихся в природе. Клетки этой уникальной бактерии могут реплицировать неестественные основания ДНК более или менее нормально, до тех пор, пока в них поставляются молекулярные строительные блоки. Как поясняет руководитель исследовательской группы доцент Флойд Е. Ромесберг, жизнь на Земле во всем ее разнообразии кодируется только двумя парами оснований ДНК: аденин-тимин (AT) и цитозин-гуанин (CG). Тот факт, что команде ученых удалось создать организм, содержащий третью, искусственную пару оснований, приближает развитие биологии расширенной ДНК. Это новое направление в науке может иметь множество интересных приложений — от создания лекарств до конструирования наноматериалов.

Лаборатория г-на Ромесберга с конца 1990-х годов занималась поиском пары молекул, которые могли бы служить новыми, функциональными основаниями ДНК и кодировать белки и организмы, не существовавшие ранее. Это очень сложная задача, так как новая пара оснований должна обладать высоким сходством с натуральными парами оснований, и способностью связываться с ними. Такие молекулы также должны стабильно встраиваться в ДНК, не нарушая процессов распаковки и упаковки во время репликации ДНК и транскрипции генов в РНК. Наконец, эти нуклеозиды должны как-то обойти естественные механизмы репарации ДНК, которые обычно удаляют «нарушителей». Несмотря на все эти проблемы, к 2008 году г-н Ромесберг и его коллеги определили наборы нуклеозидов, которые могут подключаться к двойной спирали ДНК почти так же, как природные основания.

В последующих работах ученые смогли найти ферменты, которые транскрибируют эти полусинтетические ДНК в РНК. Но все эти эксперименты проводились в упрощенной среде, «в пробирке». Как отмечает участник проекта, ведущий автор нового доклада г-н Денис А. Малышев, искусственные пары оснований красиво работали в пробирке, но заставить их работать в гораздо более сложной среде, в живой клетке, было чрезвычайно трудно. В рамках нового этапа исследований ученые синтезировали участок кольцевой ДНК, называемый плазмида, и вставили его в клетки бактерии E.coli. ДНК плазмиды содержал природные пары оснований AT и CG и искусственную пару оснований, получившую обозначение XY. Эта пара включает две наиболее эффективные молекулы нуклеозидов, известные как d5SICS и dNaM. Цель работы заключалась в том, чтобы заставить полученные клетки E.coli копировать эту полусинтетическую ДНК достаточно нормально.

Наибольшее препятствие, с которым столкнулись исследователи, может успокоить тех, кто боится неконтролируемого выброса новых форм жизни. Дело в том, что в клетках в естественном состоянии нет молекулярных строительных блоков для создания d5SICS и dNaM. Таким образом, чтобы заставить кишечную палочку дублировать ДНК, содержащую эти искусственные основания — нуклеозиды трифосфатов, ученым приходилось самим доставлять молекулярные блоки — трифосфаты внутрь клеток. Поэтому исследователи занялись поиском молекул — транспортеров, способных переносить трифосфаты из внешней жидкости внутрь клеток. Одно из соединений, продуцируемых микроводорослями, показало хорошие перспективы для выполнения этой задачи. С его помощью ученые добились того, что полусинтетические плазмиды воспроизводились с достаточной скоростью и точностью. При этом рост и размножение клеток E.coli не затруднялся, и искусственные пары оснований не удалялись под действием механизмов репарации ДНК.

По словам г-на Малышева, когда поток трифосфатных строительных блоков в клетки был остановлен, замена искусственных оснований натуральными коррелировала с естественным процессом клеточной репликации. Не было признаков того, что основания d5SICS и dNaM вырезаются из ДНК. Стоит отметить, что управление притоком трифосфатных молекул обеспечивает контроль над системой. Клетка реплицирует полусинтетическую ДНК только при наличии трифосфатных молекул и молекул — транспортеров во внешней среде. Без этих условий она быстро возвращается к начальному состоянию и основания d5SICS и dNaM исчезают из генома. Г-н Ромесберг отмечает, что следующий этап проекта будет посвящен демонстрации транскрипции в клетках нового, расширенного алфавита ДНК в РНК. Ученые надеются, что таким образом им удастся кодировать новые белки, созданные из искусственных аминокислот.