Зазеркальная полимераза синтезировала зазеркальную ДНК

Молекулярные биологи из Университета Циньхуа синтезировали и проверили работоспособность зеркальной версии ДНК-полимеразы, фермента, ответственного за копирование (репликацию) ДНК. Оказалось, что скорость работы «зазеркальной» системы, включающей в себя зеркальную молекулу ДНК, идентична таковой в экспериментах с обычной геометрией. Кроме того, ученые обнаружили, что выбранная ДНК-полимераза способна и к транскрипции — синтезу РНК на основе ДНК. Независимые эксперты назвали работу «вехой» на пути к созданию полных зеркальных аналогов клеток. Исследование опубликовано в журнале Nature Chemistry, кратко о нем сообщает редакционный материал журнала.

Многие органические молекулы, важные для существования жизни, обладают хиральностью. Иными словами, взяв такую молекулу и ее зеркальное отражение будет невозможно совместить их простыми поворотами и движениями. Самым простым примером являются аминокислоты — каждая из них (кроме глицина) обладает по меньшей мере одним оптическим изомером. На уровне структуры различают левые и правые изомеры (L и D) — если взять молекулы природных аминокислот и расположить их в пространстве одинаковым образом (условно, совместив аминные и кислотные концы, а также атом углерода между ними), то окажется, что все они — левые.

Точно также и молекула ДНК содержит в себе оптически активные фрагменты сахара — D-дезоксирибозы. Кроме того, сама двойная спираль обладает зеркальным двойником. Обычно, спирали ДНК — правозакрученные (по аналогии с правыми винтами). До сих пор точно неизвестно, почему в живой природе встречаются только L-аминокислоты, а не, например, только D-аминокислоты. Согласно различным теориям это могло произойти случайно, или же стать следствием некой фундаментальной асимметрии в природе. Вместе с тем, ничто не противоречит самой возможности существования зеркальных аналогов систем, действующих в живых организмах.

В новой работе авторы воспроизвели в «зазеркалье» белок одной из важнейших систем клетки, ответственный за копирование ДНК — ДНК-полимеразу. Из всех известных подобных ферментов ученые выбрали самый маленький — полимеразу X вируса африканской чумы свиней, состоящую из всего 174 аминокислот. Для сравнения, традиционно используемые полимеразы насчитывают свыше 600 аминокислот в своей цепи — прямой синтез из «зеркальных» мономеров настолько длинных конструкций не доступен современными методами. 

Для создания белка ученые использовали традиционный твердофазный синтез с небольшими модификациями. Он заключается в пошаговом наращивании аминокислотной последовательности на специально подготовленном силикагеле или высокопористом стекле. Поскольку метод не позволяет собирать цепочки длиннее 50 аминокислот, синтезировать полимеразу пришлось в несколько шагов. Авторы выращивали короткие фрагменты будущего фермента, а затем сшивали их между собой. Затем ученые позволили белку принять третичную структуру и создали необходимые дисульфидные мостики.

На следующем этапе работы биологи проверили активность полимеразы на зеркальных молекулах ДНК. В раствор помещали фермент, зеркальные дезоксирибонуклеотиды, родительскую цепочку L-ДНК из 18 оснований и комплементарный ей праймер — 12-нуклеотидный зеркальный олигомер, который полимераза должна была достроить. Авторы отмечают, что из-за малого размера фермент действовал очень медленно. Как в зеркальном, так и в обычном случае на удлинение праймера ушло четыре часа. Построение 56-нуклеотидной цепочки в тех же условиях потребовало 36 часов. 

Кроме того, ученые обнаружили, что выбранная ДНК-полимераза (как обычная, так и зеркальная) способна к синтезу РНК на основе матрицы ДНК. Это нетипичное свойство для этого класса ферментов. Авторы отмечают, что процесс происходит столь же неспешно, как и синтез ДНК — на создание 6-нуклеотидного участка РНК у фермента ушло 36 часов.

Также ученые проверили предположение о том, что активности зеркальных и обычных систем абсолютно независимы. Для этого в одном растворе смешали обыкновенные фермент, родительскую ДНК, праймер и дезоксирибонуклеотиды (мономеры ДНК) и их зеркальные аналоги. Оба процесса удлинения обычных и зеркальных праймеров шли абсолютно независимо друг от друга.

Создание зеркальных аналогов живых систем и организмов интересно, в частности, тем, что они не будут подвержены действию обыкновенных вирусов и ферментов. Существует ряд компаний, специализирующихся на синтезе зеркальных фрагментов ДНК и РНК, которые могут найти терапевтическое применение — обычные ферменты организма не смогут эффективно разрушать их, как это происходит с традиционными препаратами. Зеркальные организмы могут выступать, например, в роли вирусоустойчивых биофабрик различных веществ.

Следующим шагом может стать создание системы трансляции, ответственной за синтез зеркальных белков на основе зеркальной РНК. Для этого необходимо создать «с нуля» рибосому — главный органоид, который отвечает за этот процесс. Бактериальные рибосомы, как отмечают авторы, состоят из 50-80 небольших белков, большинство из которых имеет длину до 240 аминокислот, за редким исключением. Вкупе с набором других важных ферментов — зеркальных геликаз, РНК-полимераз, ДНК-лигаз и других — ученые получат полный набор молекулярный машин, нужных для самовоспроизведения зеркальной системы. Но, как отмечают авторы, для этого нужно решить еще большое количество проблем.

Владимир Королёв