Вперше в історії напівсинтетична ДНК створила білок у живих клітинах

Команда хіміків зі США успішно впровадила ДНК–”прибульця” всередину живих клітин. Таким чином, вони вперше в історії зруйнували межі наявного еволюційного механізму та змусили саме життя виробляти неприродний білок.

Розширена ДНК

Близько 4 мільярдів років жива матерія була дуже лаконічною. Для створення безмежної кількості білків, які відповідають за існування мільйонів видів організмів їй було достатньо лише 4 знаків. Лише 2 пари цеглинок входять до складу ДНК – програмного коду живого. Але нещодавно вчені порушили ці правила. Вони збагатили обмежений лексикон спадкової інформації новими основами.

Хімік Флойд Ромесберг з Науково-дослідного інституту Скріппса в штаті Каліфорнія та його колеги провели захопливі експерименти над бактеріальними клітинами кишкової палички – Escherichia coli. До складу її геному вони запроторили 2 абсолютно нові типи азотистих основ. Клітини використали ці чужинні знаки для утворення неприродних амінокислот білка, здатного світитися в темряві.

Бактеріальні клітини використовували свій розширений генетичний код для створення модифікованої версії зеленого флуоресцентного білка
Бактеріальні клітини використовували свій розширений генетичний код для створення модифікованої версії зеленого флуоресцентного білка. Джерело: William B. Kiosses

Організми одноклітинної амеби, дощового черв’яка та автора цієї статті для збереження та відтворення спадкової інформації використовують 4 азотисті основи: аденін (А), тимін (Т), цитозин (С) та гуанін (G). У складі нуклеотидів вони формують між собою пари, які стають кістяком дволанцюгової молекули ДНК. Послідовність з трьох нуклеотидів кодує одну амінокислоту. Білки складаються з головних 20 амінокислот.

Нове дослідження є першим в історії, яке демонструє, що неприродні азотисті основи можуть бути використані для створення білків у живих клітинах.

Довгий шлях до розширення генетичного коду

Лише кілька дослідних команд у всьому світі намагаються розширити генетичний код. Група Ромесберга вивчає стратегію додавання абсолютно нової пари азотистих основ до ДНК. Це значно збільшить кількість можливих амінокислот – до 100.

Для функціонування в живих клітинах пара чужинних основ повинна розташовуватись поруч з природними відповідниками, щоб не порушувати структуру ДНК.

У 2014 році лабораторія Ромесберга повідомила про прорив. Було створено штам кишкової палички з петлею ДНК, яка містила одну пару штучних азотистих основ. “Іншомовна ДНК” складалася з хімічних сполук, які називаються dNaM та d5SICS (X і Y, відповідно). Але клітини нового штаму бактерій ділились повільно із часом втрачали свої основи-новинки.

У статті, яку було опубліковано раніше цього року дослідники повідомили про здоровішу напівсинтетичну E. coli, яка не так легко відкидала чужорідні блоки ДНК (у цій версії d5SICS замінено на іншу форму хімічної речовини – dTPT3). Однак цей штам, як і у 2014 році, не мав можливості використовувати свої нові кодони.

Зелене світло для нових “напівсинтетичних”

У останньому дослідженні, яке побачило світ 29 листопада у журналі Nature, наукова група здивувала світ справжнім успіхом. Вони створили здорові клітини, які, нарешті, можуть використовувати чужинні знаки генетичного коду. В окремих експериментах клітини включили дві неприродні амінокислоти (PrK і pAzF) у білок, який випромінює м’яке зелене світло. Щоб дозволити клітинам використовувати ці нові компоненти, дослідники створили модифіковані версії молекул, які називаються тРНК, які виконують функції читання кодонів та перевезення відповідних амінокислот до клітинних білкових фабрик – рибосом.

Використання чужинних нуклеотидів для побудови білка. Джерело: Nature, 2017

Нові горизонти розширеного геному

Нові амінокислоти не змінюють форми чи функції зеленого флуоресцентного білка. Але це проміжний успіх. Команда Ромесберга готує до друку нову статтю, в якій повідомить про використання цієї технології для подолання стійкості бактерій до антибіотиків.

Ромесберг намагається включити неприродні амінокислоти в білкові препарати, такі як IL-2, протеїн, який регулює кількість білих кров’яних тілець. Цей підхід може бути використаний для розробки лікарських засобів, які були б менш токсичними чи швидше засвоювались організмом.

Команда дослідника працює над подальшим розширенням генетичного алфавіту. Їм вже вдалося створити 12 справних кодонів, що містять основи X та Y. Але як говорить сам Ромесберг: “багато чого ще потрібно зробити”. То чим же вони здивують нас найближчим часом?

Nature (2017), doi: 10.1038/nature24659; JACS (1989), doi: 10.1021/ja00203a067; PubMed (2014), doi: 10.1038/nature13314; PNAS (2016), doi: 10.1073/pnas.1616443114.

Сподобалась стаття? Придбайте нам , а ми напишемо ще.
Повідомити про помилку: підкресліть текст та натисніть CTRL+Enter або
Олексій Коваленко
  • 22 записів
  • 0 дописів
Олексій Коваленко пише для Science Ukraine з 2017 року. Працює науковим співробітником відділу ботаніки Національного науково-природничого музею НАН України. Має ступінь кандидата біологічних наук.