|
Ученые создают искусственную ДНК
|
|
|
|
Генетический алфавит содержит всего четыре буквы, обозначающие четыре нуклеотида — биохимические строительные блоки, из которых состоит вся ДНК. Ученые давно задавались вопросом, можно ли добавить больше букв в этот алфавит, создавая в лаборатории совершенно новые нуклеотиды, но полезность этого нововведения зависит от того, смогут ли клетки действительно распознавать и использовать искусственные нуклеотиды для производства белков. Теперь исследователи из Школы фармации и фармацевтических наук Скэггса при Калифорнийском университете в Сан-Диего подошли на шаг ближе к раскрытию потенциала искусственной ДНК. Исследователи обнаружили, что РНК-полимераза, один из наиболее важных ферментов, участвующих в синтезе белка, способна распознавать и транскрибировать искусственную пару оснований точно так же, как и естественные пары оснований. Результаты, опубликованные 12 декабря 2023 года в журнале Nature Communications, могут помочь ученым создавать новые лекарства путем разработки индивидуальных белков.
|
|
|
|
«Учитывая, насколько разнообразна жизнь на Земле, состоящая всего из четырех нуклеотидов, возможности того, что может произойти, если мы сможем добавить больше, заманчивы», — сказал старший автор Донг Ван, доктор философии, профессор Школы фармации и фармацевтических наук Скэггса в Калифорнийский университет в Сан-Диего. «Расширение генетического кода может значительно разнообразить спектр молекул, которые мы можем синтезировать в лаборатории, и произвести революцию в нашем подходе к дизайнерским белкам в качестве терапевтических средств». Ван возглавлял исследование вместе со Стивеном А. Беннером, доктором философии, из Фонда прикладной молекулярной эволюции, и Дмитрием Люмкисом, доктором философии, из Института биологических исследований Солка. Четыре нуклеотида, составляющие ДНК, называются аденином (А), тимином (Т), гуанином (G) и цитозином (С). В молекуле ДНК нуклеотиды образуют пары оснований с уникальной молекулярной геометрией, называемой геометрией Уотсона и Крика, названной в честь ученых, открывших структуру двойной спирали ДНК в 1953 году. Эти пары Уотсона и Крика всегда образуются в одних и тех же конфигурациях: A-T. и К-Г. Двойная спиральная структура ДНК образуется, когда многие пары оснований Уотсона и Крика собираются вместе.
|
|
|
«Это чрезвычайно эффективная система кодирования биологической информации, поэтому серьезные ошибки в транскрипции и трансляции относительно редки», — сказал Ван. «Как мы уже узнали, мы сможем использовать эту систему, используя синтетические пары оснований, которые имеют одинаковую геометрию». В исследовании используется новая версия стандартного генетического алфавита, называемая Искусственно расширенной генетической информационной системой (AEGIS), которая включает две новые пары оснований. Первоначально разработанная Беннером, AEGIS начиналась как инициатива, поддерживаемая НАСА, с целью попытаться понять, как могла возникнуть внеземная жизнь. Выделив ферменты РНК-полимеразы из бактерий и протестировав их взаимодействие с синтетическими парами оснований, они обнаружили, что синтетические пары оснований из AEGIS образуют геометрическую структуру, которая напоминает геометрию природных пар оснований Уотсона и Крика. Результат: ферменты, транскрибирующие ДНК, не могут отличить эти синтетические пары оснований от тех, которые встречаются в природе.
|
|
|
|
«В биологии структура определяет функцию», — сказал Ван. «Благодаря тому, что наши синтетические пары оснований имеют структуру, аналогичную стандартной паре оснований, они могут оставаться незамеченными и включаться в обычный процесс транскрипции». Помимо расширения возможностей синтетической биологии, полученные результаты также подтверждают гипотезу, восходящую к первоначальному открытию Уотсона и Крика. Эта гипотеза, называемая гипотезой таутомера, утверждает, что стандартные четыре нуклеотида могут образовывать несовпадающие пары из-за таутомеризации или тенденции нуклеотидов колебаться между несколькими структурными вариантами одного и того же состава. Считается, что это явление является одним из источников точечных мутаций или генетических мутаций, которые влияют только на одну пару оснований в последовательности ДНК. «Таутомеризация позволяет нуклеотидам объединяться в пары, хотя обычно этого не происходит», — сказал Ван.
|
|
|
|
«Таутомеризация ошибочных пар наблюдалась в процессах репликации и трансляции, но здесь мы предоставляем первое прямое структурное доказательство того, что таутомеризация также происходит во время транскрипции». Далее исследователи заинтересованы в проверке того, совместим ли наблюдаемый ими эффект с другими комбинациями пар синтетических оснований и клеточных ферментов. «Мы очень рады собрать междисциплинарную команду со Стивом и Дмитрием, которая позволит нам изучить молекулярные основы транскрипции в расширенном алфавите», — сказал Ван. «Может быть много других возможностей для новых букв, помимо тех, которые мы тестировали здесь, но нам нужно проделать больше работы, чтобы выяснить, как далеко мы можем зайти».
|
|
|
|
Источник
|
