Полусинтетический организм с «лишней» парой оснований в ДНК: как такое вообще возможно?
«Жизнь на нашей планете во всем ее многообразии закодирована всего двумя парами оснований, AT и CG, но мы создали организм, содержащий помимо них еще и третью, не встречающуюся в природе пару», — говорит Флойд Ромсберг, возглавлявший команду исследователей из американского Исследовательского института Скриппс (TSRI).
С конца 1990-х годов Ромсберг и его коллеги искали молекулы, которые могли бы сыграть роль новых азотистых оснований и, в принципе, войти в состав невиданных доселе белков и живых организмов.
Задача оказалась не из простых. Основания новой пары должны быть связаны примерно с той же аффинностью (силой взаимодействия), что и в природных парах аденин-тимин и цитозин-гуанин. Искусственная пара оснований должна четко встраиваться в структуру ДНК, напоминающую спирально закрученный замок-молнию: в ходе естественных процессов репликации ДНК и транскрипции «молния» с «нестандартными зубцами» должна без помех «расстегиваться» и «застегиваться». Не стоит забывать и о естественных механизмах репарации ДНК, которые стремятся исправить химические повреждения ДНК — а ведь именно в эту категорию попадают «чужеродные» молекулы в ее структуре.
Несмотря на трудности, с которыми столкнулись ученые, к 2008 году они уже выявили ряд молекул, способных включаться в структуру ДНК почти также, как природные пары оснований, и показали, что в присутствии нужных ферментов такая ДНК способна к репликации. Вскоре им удалось найти ферменты, способные транскрибировать такую полусинтетическую ДНК в РНК.
Однако процессы, которые бойко идут в пробирке, нелегко запустить в живой клетке.
Объектом новой работы команды Ромсберга стала широко известная бактерия E.coli. Ученые синтезировали участок кольцевой ДНК бактерии (плазмиды), встроив в него пар молекул, получивших обозначения d5SICS и dNaM, наряду с естественными парами оснований TA и CG. Задачей ученых было заставить полусинтетическую бактерию воспроизводить этот фрагмент в своем ДНК в условиях, максимально приближенных к естественным.
Поспешим утешить тех, кто уже представил себе сценарий неконтролируемого «побега» страшных бактерий из лаборатории: молекулярные «кирпичики», необходимые для синтеза d5SICS и dNaM, отсутствуют в живых клетках. Чтобы поддержать репликацию ДНК E. coli, ученым потребовалось добавлять нужные вещества (нуклеозидтрифосфаты) в раствор, в котором обитали бактерии, а для доставки их внутрь клетки использовались специальные транспортные молекулы. После долгих поисков удалось обнаружить лишь одно более или менее подходящее для транспорта «стройматериалов» соединение — его производит один из видов микроводорослей.
В созданных условиях E. coli беспрепятственно воспроизводят свою полусинтетическую ДНК, что приятно удивило ученых, которые готовились к новым трудностям — например, препятствиям со стороны механизмов репарации ДНК. При прекращении поступления нуклеозидтрифосфатов пара d5SICS-dNaM естественным образом заменялась на одну из обычных, и клетка спокойно возвращалась к своему «исходному коду», «записанному» основаниями A, T, G и C:
