ДНК с добавочными четырьмя буквами похожа на настоящую и вполне подходит для работы с некоторыми белками.

Генетический код – это чередование четырёх молекулярных букв, четырёх азотистых оснований в нуклеиновых кислотах, ДНК и РНК. Азотистые основания – А, Т, G и C, то есть аденин, тимин (в РНК тимин замещён урацилом), гуанин и цитозин. Но сами по себе буквы ничего не значат – они должны складываться в слова.

(Фото: ADDRicky / Depositphotos) 

Слова в генетическом коде состоят из трех букв, образующих между собой разные комбинации. Такие слова-триплеты соответствуют аминокислотам, и когда идет синтез белка, то специальные молекулярные машины читают код тройками, и в соответствии с последовательностью троек строят последовательность аминокислот.

А, Т, G и C пришиты к длиннейшим сахарофософатным «перилам» и в двуцепочечной молекуле ДНК смотрят друг на друга – то есть в пространство между цепочек, причем напротив А всегда должен стоять Т, а напротив Г – Ц, связанные водородными связями. Такое правило спаривания оснований возникло не просто так: аденин напротив тимина и гуанин напротив цитозина дают устойчивую структуру всей двуспиральной молекуле. Она одинакова по всей длине, она достаточно стабильна и при этом с ней удобно работать разным белкам, которые копируют генетическую информацию либо в другую молекулу ДНК, либо в молекулу РНК, предназначенную для белкового синтеза.

Но действительно ли только такие четыре молекулы-буквы могут обеспечить ДНК подходящую структуру? На самом деле нет, и химики с биологами успели насинтезировать много искусственных азотистых оснований, которые можно успешно ввести в ДНК. Впервые такие «буквы» появились в конце 80-х годов прошлого века – это были модификации гуанина и цитозина; ДНК с ними нормально удваивалась и на ней нормально синтезировалась РНК.

Сотрудники биотехнологической компании Firebird Biomolecular Sciences некоторое время назад сумели создать шестинуклеотидную ДНК, в которой, кроме обычных А, Т, G и C, были основания Z и P. И вот сейчас те же исследователи вместе с коллегами из ряда других научных центров опубликовали в Science статью с описанием восьминуклеотидной ДНК, в которой генетический алфавит удвоился: к имеющимся А, Т, G, C, Z и P добавили S и B.

Эта ДНК выглядит и ведёт себя как обычная, то есть её структуры почти такая же, как у ДНК с природными А, Т, G, C, и чтобы разделить её цепи (а чтобы клеточные ферменты могли прочесть генетическую информацию, они должны сначала разделить цепи ДНК), нужно примерно то же количество энергии, как и для природной ДНК. Чтобы проверить, могут ли природные ферменты работать с такой молекулой, исследователи взяли вирусные РНК-полимеразы – так называют ферменты, которые синтезируют РНК на ДНК-шаблоне. И эти ферменты сумели сделать нужную РНК-копию, то есть новые искусственные буквы их не смутили.

Но, как мы сказали вначале, сами по себе буквы ничего не значат – они должны складываться в слова. То есть следующий шаг – сделать новые тройки нуклеотидов, которые будут кодировать какие-то аминокислоты, причём так, чтобы с ними можно было синтезировать белок. Это не так невероятно, как кажется на первый взгляд: мы как-то уже писали о том, как бактериальную ДНК не только снабдили двумя новыми генетическими буквами, но и сумели сделать с ними два слова, соответствующих новым аминокислотам – модификациям лизина и фенилаланина. И бактерии сумели синтезировать с ними белки.

Возникает вопрос, зачем вообще нужно столь фундаментально вмешиваться в генетический алфавит и словарь. Здесь все просто: с новыми аминокислотами можно создавать новые белковые молекулы, сконструированные для конкретных задач. Конечно, белки модифицировали в лабораториях и раньше, но, внедрившись в генетический код, это можно проделывать намного эффективнее. И тут речь не только о белках, но и о полусинтетических организмах с новыми свойствами.

Причем не стоит забывать, что всего лишь две дополнительные буквы позволяют кодировать до 152 аминокислот. Простор для биоинженерии, как видим, бескрайний.

По материалам The Scientist.