Бактериальный фермент прочитал ДНК из восьми букв

У природы есть четыре «буквы» ДНК — A, T, G и C. В лаборатории к ним добавили ещё четыре, а теперь выяснилось, что обычная бактериальная РНК-полимераза способна считывать такой восьмибуквенный алфавит почти тем же способом, что и природный.


Исследование международной группы под руководством профессора Дона Вана из Калифорнийского университета в Сан-Диего опубликовано 2 сентября в Nature Communications. Учёные работали с системой Hachimoji — искусственным генетическим алфавитом из восьми нуклеотидов. Помимо обычных A, T, G и C в него входят синтетические P, Z, B и S, образующие две дополнительные пары P:Z и B:S.

Сам Hachimoji появился не вчера. В 2019 году исследователи уже показали, что такая ДНК может формировать устойчивую двойную спираль и передавать информацию в РНК. Но тогда для транскрипции использовали специально подобранные ферментные системы. Новый эксперимент отвечает на другой вопрос: сможет ли с расширенным алфавитом работать клеточная машина, возникшая эволюционно для четырёх природных оснований.

Ответ оказался положительным. РНК-полимераза Escherichia coli распознавала искусственные пары и включала соответствующие нуклеотиды в синтезируемую РНК. С помощью криоэлектронной микроскопии команда получила структуры фермента с разрешением от 2,42 до 2,75 ангстрема. Они показали, что синтетические основания размещаются в активном центре по тому же общему принципу, что и обычные пары ДНК.

Не всё работало идеально. Для основания Z возникала вероятность ошибочного спаривания с гуанином. Исследователи создали вариант Z*, заменив нитрогруппу на карбоксамид, и добились более высокой точности. Этот эпизод важен сам по себе: расширить генетический язык недостаточно — он должен оставаться достаточно надёжным, иначе ошибки при считывании уничтожат смысл дополнительной информации.

Дон Ван в комментарии Earth.com отметил, что фермент оказался способен распознавать неприродные пары «точно тем же способом», что и природные, и эффективно включать их в РНК. По словам учёного, восьмибуквенная система может заметно расширить химическое пространство для отбора функциональных молекул — например, аптамеров, а также увеличить возможности молекулярного хранения данных.

До организма с восьмибуквенным геномом, однако, ещё далеко. Эксперименты проводились in vitro с очищенной РНК-полимеразой и синтетическими молекулами. Клетка должна была бы получать или производить четыре необычных строительных блока, поддерживать их копирование, транскрипцию и затем научиться переводить расширенную РНК в белок. Последний этап для полного алфавита Hachimoji пока не реализован.

Потенциал у идеи прикладной. Нуклеиновые кислоты с дополнительными химическими группами позволяют создавать молекулы с функциями, которых труднее добиться от обычной ДНК и РНК. Расширенные алфавиты уже исследуют для аптамеров — коротких цепочек, способных избирательно связываться с нужными мишенями. В более ранних работах такие подходы использовали для распознавания клеток рака печени.

Новое исследование поэтому не создаёт «другую жизнь», но снимает одно из фундаментальных ограничений: сложный природный фермент способен читать больше генетических знаков, чем использует земная биология. Для синтетической биологии это означает, что расширять язык ДНК, возможно, удастся без полной перестройки всей клеточной машины.

СОВЕТ ОТ РЕДАКЦИИ

В подобных новостях важно различать доказательство принципа и готовую технологию. Восьмибуквенная ДНК уже может быть считана клеточным ферментом в лаборатории, но до живого организма с таким геномом и тем более до медицинского применения предстоит пройти ещё несколько сложных этапов.

Фото: редакция ИЗНАНКИ.