Пара нуклеотидов Беннера: ученые из Флориды расширили генетический алфавит
Две новые буквы генетического алфавита, названные Р и Z ( то есть два новых синтетических нуклеотида), можно легко установить в уже существующую молекулы ДНК, усовершенствовав при этом ее структуру.
ДНК хранит наш генетический код в форме элегантной двойной спирали. Но некоторые ученые утверждают, что эта «элегантность» переоценена, и в ДНК есть много «ошибок». Среди них Стивен Беннер — химик-органик в Фонде прикладной молекулярной эволюции в штате Флорида.
Почти 30 лет назад, Беннер набросал «лучшие варианты ДНК» и РНК, добавив новые буквы (нуклеотиды) и другие дополнения, которые расширяют «репертуар химических подвигов ДНК». Он задается вопросом, почему эти усовершенствования не произошли в живой природе?
Природа написала весь язык жизни, используя только четыре химических буквы G (гуанин), C (цитозин), A (аденин) и T (тимин). Но насколько рационален и разумен именно такой генетический код? Или же эта система кодирования генетической информации лишь одна из многих возможных и была выбрана природой по чистой случайности?
Записная книжка Беннера
Ранние попытки Беннера в синтезе новых нуклеотидов для ДНК не приносили успеха, но с каждой неудачей Беннер и его команда получали все больше информации о том, каким должен быть «хороший» нуклеотид, и все лучше понимали детали молекулярного строения ДНК и РНК, обеспечивающие их работу. Работа исследователей шла медленно, так как им предстояло разработать новые инструменты, позволяющие управлять «расширенным алфавитом ДНК», который они строили.
Теперь же, спустя десятилетия работы, команда Беннера смогла синтезировать искусственно усовершенствованную ДНК, которая функционирует так же, как обычная ДНК, если не лучше. В двух статьях, опубликованных в журнале Американского химического общества в прошлом месяце, исследователи показали, что два синтетических нуклеотида, называемые ими Р и Z, «плавно вписываются» в спиральную структуру естественной ДНК. Кроме того, последовательности ДНК, включающие эти синтетические нуклеотиды, могут развиваться так же, как в традиционной ДНК.
Новые нуклеотиды даже превзошли свои природные аналоги. Когда необходимо развивать фрагмент, который избирательно связывается с раковыми клетками, то последовательности ДНК с использованием P и Z сделали это лучше, чем без них.
«Если сравнивать четырехнуклеотидный алфавит и шестинуклеотидым, то шестинуклеотидная версия ДНК, кажется, победила»
— сказал Эндрю Эллингтон, биохимик из Университета Техаса, который не принимал участия в исследовании.
Беннер имеет высокие цели для своих синтетических молекул. Он хочет создать альтернативную генетическую систему, в которой белки — причудливо сложенные молекулы, выполняющие важные биологические функции — излишни. Беннер предпологает, что вместо нашей трехкомпонентной системы передачи генетической информации (ДНК, РНК и белок), на других планетах жизнь развивалась только с двумя.
Лучшие «Чертежи для жизни»
Расширенный генетический алфавит кодирует больше аминокислот
Основная функция ДНК – хранение генетической информации. Его последовательность букв (нуклеотидов) содержит своеобразные «чертежи» для строительства белков. Наши «четыре буквы генетического алфавита» кодируют 20 аминокислот, которые связываются вместе, чтобы создать миллионы различных белков. Но шесть букв алфавита могут закодировать 216 аминокислот, и намного больше белков. Таким образом, расширение генетического алфавита, в теории, резко увеличивает число возможных аминокислот и белков, но при этом не понятно, почему природа ограничилась всего четырьмя нуклеотидами?
Компьютеры, например, вообще используют бинарную систему, работающую с помощью всего двух «букв» — 0 и 1. Тем не менее, двух букв, вероятно, не достаточно, чтобы создать массив биологических молекул, которые составляют жизнь. С другой стороны, дополнительные буквы могут сделать систему более подверженную ошибкам.
Основания ДНК образуют пары по принципу комплементарности: G – С (гуанин — цитозин) и А-Т (аденин – тимин). Именно благодаря принципу комплементарности возможна передачи генетической информации. С большим количеством нуклеотидов, каждый из них имеет больше шансов спариться с неправильным партнером, и новые копии ДНК могут иметь больше генетических ошибок. Но, пожалуй, преимущества увеличения генетического алфавита могут перевесить потенциальные недостатки. Шесть букв ДНК могут более компактно упаковывать генетическую информацию, и, возможно, могут взять на себя часть функций белков. Именно этот потенциал и послужил Беннеру основным стимулом для работы.
«С помощью всего лишь этих маленьких прозрений, я был в состоянии записать альтернативные структуры ДНК и РНК, которые сделают ДНК и РНК лучше. Таким образом, главный вопрос: Почему жизнь не воплотила эти альтернативы? Один из способов, чтобы узнать это, было сделать их самим в лаборатории, и посмотреть, как они работают.«,
сказал Стивен Беннер.
Генетический код — из четырех букв: А, T, G и C — хранит план для белков. ДНК сначала транскрибируется в РНК, а затем переведен в белки, которые складываются в определенные формы.
Существуют также разработки других ученых в этом направлении. Был даже опыт внедрения новых нуклеотидов в геном живых бактерий. Принципиальное отличие нуклеотидов Беннера в том, что новые основания P и Z (пара Беннера) комплементарны друг другу и не искажают действия других нуклеотидов ДНК. Искусственные нуклеотиды Беннера образуют те же химические связи, что и природные нуклеотиды, и ДНК с содержанием пар Беннера точно также образуют спираль.
Стивен Беннер хочет расширить свой «генетический алфавит» еще дальше, чтобы расширить функциональные возможности ДНК и РНК. Он работает над созданием системы 10- или 12-буквенного кода ДНК и планирует тестировать новый генетический алфавит в живых клетках. Беннер и синтетические молекулы нуклеотидов Z и Р уже оказались полезными в ряде медицинских и биотехнологических приложений, таких как диагностические тесты на ВИЧ и другие заболевания.
Источник: slashdot.org