Как ДНК с синтетическими нуклеотидами встроили в живую клетку?

Микробиолог Константин Северинов о центральной догме молекулярной биологии и увеличении информационной емкости ДНК
13.05.2014

Недавно в журнале Nature была опубликована статья, в которой было заявлено о создании, внедрении и репликации в живой клетке молекулы ДНК с искусственной парой нуклеотидов. Мы попросили прокомментировать это событие эксперта в области микробиологии, доктора биологических наук Константина Северинова.

Для того чтобы понять суть этого исследования, надо хорошо представлять себе поток информации в клетке, который описывает центральная догма молекулярной биологии, предложенная в свое время Фрэнсисом Криком. Центральная догма постулирует, что генетическая информация хранится в ДНК, где она «записана» в виде линейной последовательности из четырех «букв» или оснований — А (аденин), Г (гуанин), Ц (цитозин), Т (тимин). Эта информация представляет собой код, который может быть переведен на «язык» белков, которые и являются основными носителями биологических функций. Для того чтобы информация из ДНК была переведена на «язык» белка, должна сначала пройти транскрипция ДНК, то есть синтезирована копия участка ДНК-гена, содержащая рибонуклеиновую кислоту (РНК). Участки ДНК (или РНК) длиной в 3 нуклеотида называются «триплеты» или «кодоны», они кодируют аминокислоты. Всего в белках 20 аминокислот, закодированных различными триплетами ДНК. Генетический код — это набор правил, по которым определенные триплеты «переводятся» в строго определенные аминокислоты, и, следовательно, генетическая информация, триплеты ДНК переводятся в аминокислоты белков. А линейная, закодированная последовательность аминокислот и составляет белок. Сам процесс перекодировки очень сложный и происходит в ходе процесса, называемого «трансляцией».
[ScienceHub #03: Синтетическая микробиология ]
ScienceHub #03: Синтетическая микробиология
Микробиолог Константин Северинов о том, что нас ждет в будущем благодаря современным исследованиям в микробиологии, биоинформатике и геномике

Есть большое желание увеличить информационную ёмкость генетического кода. Хочется иметь не 20 аминокислот, а 21 или 22, или 23 и т. д. Таким образом, мы могли бы вводить не натуральные, а какие-то специальные аминокислоты с интересными свойствами в белки и, возможно, получать белки с новыми свойствами. Работа Romesberg et al. – это попытка двигаться в этом направлении. Чтобы научиться кодировать новые аминокислоты, они решили создать молекулу ДНК, которая содержит не 4 основания, а 6. Для того чтобы это сделать, была проделана большая предварительная работа. Статья называется довольно пафосно: «Полусинтетический организм с расширенным генетическим алфавитом». Реально было сделано вот что: ДНК, как известно, состоит из двух цепочек, которые самокомплементарны. В одной цепочке А, в другой цепочке напротив нее Т; в одной Г, напротив — Ц. Таким образом, если цепочки разделить, то окажется, что в каждой из них по отдельности полностью содержится информация для построения оставшейся цепи. Авторы этой статьи нашли пары таких веществ (они называются неестественные, ненатуральные аналоги оснований ДНК), которые и не А, и не Т, и не Ц, и не Г, но ведут себя точно так же, то есть способны комплементарно взаимодействовать друг с другом. Методами синтетической химии они создали вариант самореплицирующейся молекулы ДНК длиной около 2500 нуклеотидов, который полностью совпадал с хорошо известным стандартным вариантом, за исключением одной единственной пары оснований, то есть одной неестественной «буквы» в одной цепочке и комплементарной ей неестественной «буквы» напротив. Оказалось, что при определенных условиях клетка бактерии кишечной палочки может такую молекулу ДНК реплицировать, то есть копировать, и у дочерних молекул тоже будет эта «неправильная» пара буковок в том же положении, что и у исходной молекулы. То есть информация о нестандартной паре оснований наследуется.

То, что такой результат можно получить в пробирке с помощью очищенных ферментов, которые реплицируют ДНК, было известно давно. Основной прорыв здесь в том, что ими было продемонстрировано копирование молекулы ДНК, содержащей неестественную пару оснований в живой клетке. Для этого оказалось необходимым, чтобы клетка кишечной палочки, в которую вводилась синтетическая ДНК, содержала в себе специальную молекулу белка-транспортёра, которая могла бы обеспечить транспорт внутрь клетки предшественников этих ненатуральных оснований из питательной среды.

Из сказанного выше должно быть понятно, что от этого результата до демонстрации того, что им реально удалось расширить генетический код, очень и очень далеко. То есть если считать целью возможность построения белков, содержащих более 20 аминокислот, то это вопрос еще как минимум нескольких лет напряженной работы, ведь надо еще научиться перекодировать «новый» язык ДНК в какой-то специальный белковый «язык».

Константин Северинов
доктор биологических наук, заведующий лабораторией регуляции экспрессии генов элементов прокариот Института молекулярной генетики РАН, заведующий лабораторией молекулярной генетики микроорганизмов Института биологии гена РАН, профессор Университета Ратгерса (США), профессор института Сколково

postnauka.ru/faq/26545?_sbrid_=1494a387d68f518301b37f738b8e131e___BG4CAA