Генетичний алфавіт розширено. Чи ні?

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 66

Про автора У десятку найбільш видатних результатів 2014 р. увійшли роботи дослідників зі Скриппсівського інституту (Ла-Холья, США), які не тільки створили ДНК з двома новими «літерами» генетичного коду, але і змусили її відтворюватися всередині кишкової палички — традиційного експериментального об’єкта молекулярних біологів. Дмитро Олегович Жарков — доктор біологічних наук, завідувач групи взаємодій біополімерів Інституту хімічної біології та фундаментальної медицини СО РАН (Новосибірськ). Протягом восьми років працював у лабораторії А. Гроллмана (США). Автор і співавтор 80 наукових робіт.

У десятку найбільш видатних результатів 2014 р. увійшли роботи дослідників зі Скриппсівського інституту (Ла-Холья, США), які не тільки створили ДНК з двома новими «літерами» генетичного коду, але і змусили її відтворюватися всередині кишкової палички — традиційного експериментального об’єкта молекулярних біологів.

Як усім відомо зі шкільної лави, «текст» молекули ДНК — сховища спадкової інформації — написано всього чотирма «літерами»: A, T, G і C. Букви ці позначають чотири азотистих основи — аденін, тимін, гуанін і цитозин, які кріпляться до цукрофосфатного остову. Дві такі конструкції і складають знамениту подвійну спіраль ДНК, яка в підсумку містить всі інструкції з будівництва і роботи нашого організму.

Два ланцюги ДНК пов’язані один з одним за принципом комплементарності: навпроти A в одному ланцюгу завжди стоїть T в іншому, а навпроти G — завжди C. Між «протилежними» підставами в цих парах утворюються так звані водневі зв’язки, що і визначає відповідність підстав один одному. Наприклад, між A і C такі зв’язки утворитися не можуть, тому і кажуть, що підстави підходять один до одного як ключ до замку.

Два ланцюги нашої ДНК, що складаються з цукрофосфатного остова з приєднаними до нього азотистими підставами, пов’язані один з одним за принципом комплементарності: навпроти аденіна в одному ланцюгу завжди стоїть тіамін в іншому, а навпроти гуаніну — завжди цитозин (а). Пари підстав утримуються разом так званими водневими зв’язками. Однак стабільні пари підстав у ДНК можуть формуватися і без участі таких зв’язків (б). По: Malyshev et al., 2014

Структура ДНК стала відома ще в середині минулого століття, і вже тоді вчені стали задаватися питаннями: чому жива природа використовує саме ці дві пари підстав, а не якісь інші, і чи не можна як-небудь «підкрутити гвинтики» в клітці, щоб змусити її використовувати інші підстави? Відповідь на перше питання не отримано досі. Багато фахівців у галузі передбіологічної еволюції припускають, що такий вибір був випадковістю, яка закріпилася надалі, коли було пройдено найважчий етап виникнення життя на нашій планеті — коли молекули стали «реплікаторами», тобто навчилися відтворювати самі себе.

Ймовірність такої події дуже мала, тому не дивно, що якщо навіть колись і існували комплементарні пари з іншими підставами, вони просто не пройшли через це «пляшкове горлечко» еволюції. Втім, першою молекулою-реплікатором, швидше за все, була не ДНК, а РНК, яка, до речі сказати, замість тіміна використовує ще одну азотисту основу — урацил, який також утворює пари з аденіном. При переході до «світу ДНК» урацил замінився на тимін з причин, пов’язаних з надійністю зберігання інформації.

Найцікавіше, що і зараз відомі організми, у яких «чудова четвірка» відрізняється від описаної в шкільному підручнику. Наприклад, у багатьох бактеріофагів — вірусів, що вражають бактерії, місце тіміна в ДНК займає урацил або гідроксиметилурацил або інші похідні урацила з додатково приєднаним вуглеводним залишком. Така «підміна» допомагає вірусу захищатися від охоронних систем бактерій, що розщеплюють чужорідну ДНК, яка проникла всередину. А в 1970-х рр. у звичайній калюжі ленінградські мікробіологи виявили бактеріофаг, у якого аденін повністю замінений іншою підставою, 2,6-діамінопурином.

Що стосується другого питання, то він ліг в основу нового напрямку молекулярної біології — створення штучного генетичного коду. Фахівці в цій області займаються не тільки пошуком можливостей створення альтернативних пар підстав, але і способів введення в структуру білків неканонічних амінокислот (як відомо, генетичні системи всіх відомих на сьогодні живих організмів кодують рівно 20 «стандартних» амінокислот). Зрозуміло, що якщо навчитися збирати ДНК з розширеного репертуару пар підстав і закласти в код можливість включення в білки нестандартних амінокислот, то це відкриє небачені перспективи перед синтетичною біологією — областю науки, що займається створенням неіснуючих в природі живих систем і процесів.

На тлі такої глобальної проблеми досягнення, відзначене журналом Science, не виглядає чимось карколомним. Швидше це — чергова сходинка сходів, будівництво якої почалося два десятиліття тому, причому сходинка не дуже висока. Головний концептуальний прорив на цьому шляху був здійснений ще в кінці 1990-х рр. групою під керівництвом Е. Кула (Рочестерський університет, США), яка показала, що для створення стабільної пари підстав, що добре вкладається в подвійну спіраль ДНК, зовсім не потрібні водневі зв’язки. Можна зробити штучні підстави, що взагалі не містять жодного атома, здатного утворювати такі зв’язки, і вони зможуть не тільки стабільно існувати в ДНК, але і без проблем включатися в неї звичайними ферментами ДНК-полімеразами, принаймні, деякими з них.

У лабораторії Ф. Роумсберга, удостоєної уваги редакторів Science, некласичними підставами займаються вже не перший рік. Але до недавніх пір всі дослідження в цьому напрямку виконувалися in vitro, тобто «у пробірці», а не в живій клітці. Цього разу дослідники взяли одну з таких «безводневих» пар підстав і спробували змусити її відтворюватися всередині бактерії кишкової палички, традиційно використовуваної для експериментів молекулярними біологами.

Американським дослідникам вперше вдалося змусити відтворюватися в бактеріальній клітині фрагменти «хімерної» ДНК, в яку були введені неканонічні «букви» — підстави, названі X і Y. Як модель використовувалася кишкова паличка E. coli. На фото вгорі — скульптурне зображення кишкової палички. Скло. Худ. Л. Джеррам

Однак у живому організмі підстави не виникають за бажанням експериментатора. За кожною з чотирьох літер в ДНК стоїть багатоходова схема їх синтезу в клітці і, зрозуміло, підстави, придумані хіміками, клітина сама робити не може. Тому вчені схитрили: вони ввели в бактерії білок з клітинної стінки діатомової водорості Phaeodactylum tricornutum, який здатний захоплювати ті самі окремі «букви» ДНК безпосередньо із зовнішнього середовища. Відповідно, ненатуральні підстави (точніше, не самі підстави, а дезоксинуклеозидтрифосфати — «цеглинки» з частиною цукрофосфатного остова, з яких і будується ДНК) просто додавали в культуральне середовище, в якому росли такі бактерії.

Але існувала ще одна проблема, яку потрібно було вирішити. Справа в тому, що якщо змусити бактеріальні клітини використовувати ненатуральні підстави у великій кількості, то бактерії просто не виживуть, тому що існуючий генетичний апарат не буде їх «впізнавати». Тому вчені ввели лише одну-єдину ненатуральну пару, і то не безпосередньо в саму бактеріальну ДНК, а в плазміду — окрему маленьку кільцеву молекулу ДНК, здатну існувати і самовідтворюватися всередині бактеріальної клітини. А оскільки фермент ДНК-полімеразу III, яка відповідає у бактерій за реплікацію основної частини геному, нестандартні підстави взагалі не дізнається, ненатуральну пару підстав довелося ставити навіть не просто в плазміду, а в дуже маленьку ділянку плазміди, яка синтезується іншим ферментом — ДНК-полімеразою I.

Після всіх цих маніпуляцій бактерії ростили на збагаченому нестандартними підставами середовищі протягом 15 годин — за цей час клітини встигали поділитися 24 рази. Потім визначали, що знаходиться в тому місці плазміди, де стояла ненатуральна пара. Якби клітина не була здатна при реплікації використовувати відповідні один одному неканонічні нуклеотиди, а вбудовувала навпроти них нормальні, то ненатуральна пара після 24 поділів збереглася б тільки в 1 випадку з 17 млн! Однак насправді нічого подібного не сталося: ненатуральна пара зберігалася в 86% випадків, заміна відбулася тільки через кілька діб подальшого зростання.

Важливість роботи Роумсберга і його колег незаперечна, адже їм дійсно вперше вдалося показати працездатність ненатуральної пари підстав у живій клітці. Але говорити про те, що в ній вдалося «розширити генетичний алфавіт», дуже і дуже передчасно — ця фраза винесена в заголовок статті в Nature явно з рекламними цілями. Зрештою, автори статті обійшли найголовніші невирішені проблеми штучного генетичного коду. Адже для того, щоб на ділі розширити алфавіт ДНК, потрібно як мінімум вбудувати в клітку шляху синтезу неканонічних нуклеотидів, зробити їх сумісними з основною системою реплікації і, головне, придумати, як за допомогою нових букв змусити клітку виробляти і нові білки.

Завдання як і раніше виглядає надзвичайно складним — приблизно, як політ у космос в епоху початку аеронавтики. У цьому сенсі роботу Роумсберга і його колег можна порівняти із запуском кулі братів Монгольф’є. Але в космос зрештою полетіли не повітряні кулі, так що хоча зазначене Science досягнення — безумовно, крок у потрібному напрямку, поки незрозуміло, чи призведе до мети саме ця дорога.

Література:

1. Власов В.В., Воробйов П. Е. Світ РНК: вчора і сьогодні//Наука з перших рук. 2012. № 3(45). С. 40-49.2.

Malyshev D. A., Dhami K., Lavergne T. et al. A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet // Nature. 2014. V. 509. № 7500. P. 385–388.