ДНК — основа жизни на Земле — хранит информацию в четырех ключевых химических веществах: гуанине, цитозине, аденине и тимине, обычно называемых по первым буквам: G, C, A и T соответственно. Теперь ученые удвоили количество этих строительных блоков жизни, впервые создав синтетический восьмибуквенный генетический язык, который, похоже, хранит и воспроизводит информацию точно так же, как естественная ДНК.

В исследовании, опубликованном 21 февраля в журнале Science, консорциум исследователей во главе со Стивеном Беннером, основателем Фонда прикладной молекулярной эволюции в Алачуа, штат Флорида, предполагает, что расширенный генетический алфавит теоретически может поддерживать жизнь.

«Это настоящая веха», — говорит Флойд Ромесберг, химический биолог из Исследовательского института Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния. Исследование подразумевает, что нет ничего «волшебного» или особенного в тех четырех химических веществах, которые естественным образом развились на Земле. «Это концептуальный прорыв», — добавляет он.

Обычно, когда пара нитей ДНК вращается вокруг друг друга в виде двойной спирали, химические вещества в ней соединяются в пары: А связывается с Т, а С связывается с G. Долгое время ученые пытались добавить в этот генетический код больше пар этих химических веществ, также известных как основания. Например, Беннер впервые создал «неестественные» основания в 1980-х годах. За ними последовали другие группы: в 2014 году лаборатория Ромесберга попала в заголовки газет, вставив пару неестественных оснований в живую клетку.

Но последнее исследование является первым, способным систематически продемонстрировать, что дополнительные неестественные основания распознаются и связываются друг с другом, и что двойная спираль, которую они образуют, сохраняет свою структуру.

Команда Беннера, в которую входят исследователи из различных американских компаний и учреждений, создала синтетические буквы, изменив молекулярную структуру регулярных оснований. Буквы ДНК создают пары, потому что они образуют водородные связи: каждая буква содержит атомы водорода, которые притягиваются к атомам азота или кислорода в их партнере. Беннер объясняет, что это немного походит на кирпичики Lego, которые соединяются, когда отверстия и зубцы совпадают.



Отрегулировав эти отверстия и зубцы, команда создала несколько новых пар оснований, в том числе пару с именами S и B и еще одну с именами P и Z. В последней статье описывается, как они комбинируют эти четыре синтетических основания с естественными. Исследователи называют получившийся восьмибуквенный язык «хачимоджи» — от японских слов «восьмерка» и «буква». Каждое из дополнительных оснований по форме похоже на одно из четырех естественных, но у них разные варианты создания пар.

Затем исследователи провели серию экспериментов, которые показали, что их синтетические последовательности имеют общие с природной ДНК свойства, которые необходимы для поддержания жизни.

Поиск данных

Чтобы работать в качестве системы хранения информации, ДНК должна следовать предсказуемым правилам, поэтому команда сначала продемонстрировала, что, подобно обычным основаниям, синтетические также надежно образуют пары. Они создали сотни молекул синтетической ДНК и обнаружили, что буквы связаны с их партнерами предсказуемо.

Затем они показали, что структура двойных спиралей остается стабильной независимо от того, в каком порядке находятся синтетические основания. Это важно, потому что для эволюции жизни необходимо, чтобы последовательности ДНК могли изменяться без разрушения всей структуры. Используя дифракцию (способность волн огибать препятствия — прим. перев.) рентгеновских лучей, команда показала, что три различных последовательности синтетической ДНК сохраняли одинаковую структуру при кристаллизации.

An X-ray diffraction image of part of a molecule of DNA.
Рентгеновское изображение части молекулы ДНК. Новая 8-буквенная версия также стабильна.

Это существенный прогресс, говорит Филипп Холлигер, биолог из Лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже, Великобритания, потому что другие методы расширения генетического алфавита не так хорошо структурно обоснованы. Вместо химических веществ, которые используют водородные связи для объединения, другие подходы используют водоотталкивающие молекулы в качестве своих оснований. Их можно размещать с интервалами между природными буквами ДНК, но структура последней разрушается, если их размещать в ряд.

Наконец, команда показала, что синтетическая ДНК может быть достоверно переведена в РНК. «Возможность хранить информацию не очень интересна для эволюции», — говорит Беннер. «Вы должны быть в состоянии передать эту информацию в молекулу, которая что-то делает».

Преобразование ДНК в РНК является ключевым шагом для перевода генетической информации в белки — «рабочие лошадки» жизни. Но некоторые последовательности РНК, известные как аптамеры, могут сами связываться со специфическими молекулами. Команда Беннера создала синтетическую ДНК, которая кодирует определенный аптамер, а затем подтвердила, что преобразование произошло успешно и последовательность РНК функционировала правильно.

Холлигер говорит, что эта работа — важная отправная точка, но до достижения истинной восьмибуквенной синтетической генетической системы еще предстоит пройти немалый путь. Один из ключевых вопросов, например, состоит в том, может ли синтетическая ДНК реплицироваться (то есть самокопироваться — прим. перев.) с помощью полимераз — ферментов, ответственных за синтез ДНК внутри организмов во время деления клеток. Это было продемонстрировано для других методов создания синтетической ДНК, которые используют водоотталкивающие молекулы в качестве оснований.

Разнообразие жизни

Использование в ДНК всего на две буквы больше позволяет увеличить сложность получаемых белков почти в 9 раз.

Тем не менее, Беннер говорит, что его работа демонстрирует важную вещь: жизнь потенциально может быть поддержана основаниями ДНК, которые отличаются от четырех, привычных нам — и это может изменить отношение к поиску сигнатур жизни в других местах Вселенной.

Добавление новых букв в ДНК может также иметь более практичные применения. Обладая большим разнообразием в генетических строительных блоках, ученые могут потенциально создавать последовательности РНК или ДНК, которые могут делать вещи лучше, чем стандартные четыре буквы, включая функции за пределами хранения генетического кода.

Например, группа Беннера ранее показала, что нити ДНК, включающие Z и P, лучше связывались с раковыми клетками, чем последовательности со стандартными четырьмя основаниями. Также Беннер основал компанию, которая коммерциализирует синтетическую ДНК для использования в медицинской диагностике.

Исследователи могут потенциально использовать свою синтетическую ДНК для создания новых белков, а также РНК. Команда Беннера разработала дополнительные пары новых основания, открывая возможность создания структур ДНК, которые содержат 10 или даже 12 букв. Но тот факт, что исследователи уже расширили генетический алфавит до восьми, сам по себе примечателен, говорит Ромесберг. «Это уже удваивает то, что имеет природа».