Химики создали транскрибируемую синтетическую ДНК с восьмибуквенным алфавитом

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 (Steven Benner), 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».

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.

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 (о том как используют ДНК в качестве внешнего носителя, можно прочитать в нашем блоге).

Дарья Спасская