Американские химики синтезировали новые четыре аналога азотистых оснований, которые формируют пары по принципу комплементарности так же, как это делают природные основания A,T,G,C в составе ДНК живых организмов. Как показали ученые в статье в Science, полимер, содержащий все восемь букв («хатимодзи-ДНК»), напоминает по свойствам обычную ДНК и соответствует критериям носителя информации. Более того, с восьмибуквенной матрицы при помощи природного фермента удалось синтезировать молекулу РНК.
Информация в молекулах ДНК у всех живых организмов на Земле кодируется с использованием всего четырех букв генетического алфавита — A,T,G,C, за которыми скрываются азотистые основания пуринового и пиримидинового типа аденин, тимин, гуанин и цитозин. Эти четыре основания формируют пары по принципу комплементарности (A-T, G-C), которые удерживаются водородными связями. Любая последовательность букв формирует двойную спираль ДНК, которая обладает упорядоченной определенным образом структурой.
Эрвин Шредингер, рассуждая о природе носителя информации, предположил, что он представляет собой атипичный кристалл, мутации в котором не приводят к утрате свойств кристалла. Авторы новой статьи в Science (где и цитируется Шредингер), химики из Firebird Biomolecular Sciences во Флориде под руководством Стивена Беннера, одного из пионеров синтетической биологии, расширили генетический алфавит с четырех букв до восьми. Ученые показали, что получившийся полимер в той же степени соответствует критериям Шредингера, что и природная ДНК. Такой полимер авторы назвали «хатимодзи-ДНК», что переводится как «восемь букв».
Пары оснований внутри хатимодзи ДНК и в дуплексе ДНК-РНК
Ученые синтезировали две новых пары, Z-P и S-B, которые тоже удерживаются водородными связями, и проанализировали свойства двойной спирали с расширенным алфавитом. Они показали, что такие цепочки обладают регулярной структурой и предсказуемыми термодинамическими свойствами вне зависимости от последовательности. Кроме того, ученые показали, что с хатимодзи-матрицы можно синтезировать цепочку РНК.
В этом эксперименте ученые использовали вирусную T7 РНК-полимеразу, которая синтезировала на ДНК-матрице с использованием соответствующих рибонуклеотидов цепочку хатимодзи-РНК, складывающуюся в определенную структуру (аптамер). Структура, в свою очередь, связывала молекулу флуоресцентного красителя, которая при этом активировалась. Таким образом, синтез РНК можно было детектировать по свечению раствора.
Структура синтезируемого хатимодзи-аптамера РНК и его свойства
Оказалось, что полимераза дикого типа способна использовать только три новых буквы из четырех, но перебрав все имеющиеся варианты ученые обнаружили мутантную версию полимеразы с тремя аминокислотными заменами, которая могла вставлять в РНК все четыре новых буквы.
Таким образом, ученые расширили генетический алфавит до восьми букв, увеличили плотность кодируемой информации и показали потенциальную возможность ее расшифровки в живых системах. Однако это не первый такой случай: мы рассказывали о том, как группа Флойда Ромсберга успешно реплицировала ДНК с шестибуквенным алфавитом в бактериях и даже закодировала с ее помощью новые аминокислоты. В этой серии работ ученые использовали другую пару X-Y, которая удерживается при помощи гидрофобных взаимодействий.
Как пишут в новой статье создатели «хатимодзи-ДНК», гидрофобные взаимодействия накладывают ограничения на последовательность букв, в которых можно использовать такую пару, потому что протяженные участки из таких пар в конечном итоге нарушают структуру ДНК. Свою восьмибуквенную ДНК авторы пока собираются использовать не для расширения генетического кода, а в более прикладных целях, например, для бар-кодирования последовательностей при секвенировании, создания наноструктур с заданными свойствами или для хранения информации вне клетки.
Источник: N+1
