Новости химической науки > Синтетический «имплант» ДНК прижился в организме бактерии

Исследователи из США создали первый организм, который способен к росту и репликации, имея в составе своей ДНК дополнительную неканоническую пару азотистых оснований – основой ДНК такого организма является не четыре азотистых основания, а шесть.

Несмотря на то, что попытки спроектировать и синтезировать искусственные нуклеотиды предпринимались десятилетиями, результат, о котором сообщается в работе, руководителем которой является Флойд Ромесберг (Floyd Romesberg) из Исследовательского Института Скриппса, представляет собой первую искусственную пару азотистых оснований, которая может быть инкорпорирована живой клетку в свою ДНК, в результате чего в этой ДНК-азбуке количество «букв»-нуклеотидов увеличивается в полтора раза – с четырех до шести. Новая технология может стать основой для синтетической биологии, поскольку такая ДНК может хранить кодированную генетическую информацию еще о 152 аминокислотах (в дополнение к 20 каноническим протеиногенным), что, очевидно, позволит синтезировать уникальные по строению и свойствам белки.

ДНК каждого организма на планете Земля содержит только две нуклеотидные пары – аденин–тимин (A–T) и цитозин-гуанин (Ц–Г). Ромесбергу с коллегами удалось получить «полусинтетический» штамм Escherichia coli, содержащий дополнительную пару азотистых оснований, получивших название X–Y.

Дополнительная пара азотистых оснований увеличивает количество аминокислот, которые могут быть закодированы ДНК. (Рисунок из Nature, 2014, DOI: 10.1038/nature13314)

Исследователи из группы Ромесберга пытались расширить традиционный четырехбуквенный алфавит ДНК в течение 20 лет. За последнее десятилетие исследователи сконструировали несколько новых нуклеотидов, энергия комплементарного взаимодействия которых сравнима с энергией взаимодействия пар А–Т и Г–Ц, которые также могут встраиваться в цепочку ДНК, содержащей природные азотистые основания. Наиболее перспективной парой показалась пара двух молекул – d5SICS и dNAM, взаимодействие которых основано на гидрофобных взаимодействиях. Было продемонстрировано, что ДНК, содержащая эти искусственные нуклеотиды, может реплицироваться in vitro в присутствии фермента ДНК-полимеразы, участвующей в естественной репликации ДНК.

Следующий этап исследования представлял собой гораздо более непростую задачу – интегрирование этой пары оснований с живым организмом. Исследователи синтезировали плазмиду – циклический фрагмент бактериальной ДНК, содержащий единичную пару d5SICS–dNAM, эта плазмида была успешно усвоена клетками E. Coli.

Несмотря на этот успех, главной проблемой оказалась репликация ДНК. Поскольку новые азотистые основания не могут вырабатываться в клетках, исследователям нужно было решить проблему поставку в бактерию новых азотистых оснований, без которых репликация ДНК была бы невозможна.

Как отмечают исследователи, ключом к решению этой проблемы была генетическая модификация и получение линии E. Coli с уникальным транспортным белком, способным к специфическому связыванию синтетических азотистых оснований и нуклеотидов. После долгих поисков было обнаружено, что транспортный белок диатомовой водоросли Phaeodactylum tricornutum может проносить трифосфаты d5SICS и dNAM через мембрану клетки. Модификация E. coli, позволяющая осуществлять экспрессию этого транспортного белка, позволит таким бактериям усваивать синтетические нуклеотиды, находящейся в питательной следе. Такой подход позволил контролировать репликацию с участием новых нуклеотидных пар – если в питательной среде клетки больше не присутствуют компоненты X–Y-пары, клетка усваивает Г–Ц пары.

После того, как новые полусинтетические клетки начали расти и делиться нормально, исследователи с помощью методик секвенирования продемонстрировали, что в плазмидах-репликах сохраняются синтетические нуклеотидные пары. Было показано, что пары X–Y не удалялись из клеток теми их системами, которые обычно осуществляют процесс репарации ДНК – удалению мутировавших и аномальных фрагментов генетического кода. Было обнаружено, что за 15 часов культивирования дублирование-репликация аномальных нуклеотидных пар происходит с 99.4% вероятностью.

Исследователи уверены, что открытие открывает бесчисленные возможности синтетической биологии. Новые азотистые основания могут расширить возможности клетки по синтезу белков – «шестибуквенная» ДНК может кодировать до 172 аминокислот, что увеличивает вариабельность белков, образующихся в процессе трансляции такой нуклеиновой кислоты. Новые азотистые основания также могут использоваться для создания новой регуляторной архитектуры в клетках при их включении в участки генов-промоторов или генов-репрессоров. В планах исследователей – как изучение практических аспектов таких синтетических биологических организмов, так и дальнейшее исследование теоретических аспектов синтетической биологии – отработка процессов транскрипции РНК, содержащих синтетические азотистые основания.

Источник: Nature, 2014, DOI: 10.1038/nature13314

метки статьи: #биохимия, #медицинская химия, #молекулярная биология