Фермент бактерії зробив РНК на основі ДНК з вісьмома нуклеотидами. Природна складається з чотирьох

Біологи навчили фермент кишкової палички зчитувати ДНК, у якій на додачу до чотирьох природних нуклеотидних основ є також чотири синтезовані штучно. Фермент, який переписує інформацію з ДНК на РНК, щоб потім на її основі інший фермент міг синтезувати білок, розпізнав штучні нуклеотидні основи та вбудувати їх у послідовність РНК, як природні. Такий підхід сподіваються застосувати для розширення можливостей біоінженерії, зокрема створення білків, який не існує в природі. Дослідження опублікували в журналі Nature Communications.

Що це за ДНК із вісьмома нуклеотидними основами?

У природі основу ДНК складають чотири нуклеотидні основи — аденін, гуанін, тимін і цитозин, а в РНК роль тиміну виконує урацил. Різні поєднання цих нуклеотидів дають організму можливість включати до послідовності білка 20 основних амінокислот, позначати місце початку та кінця його синтезу. Але у 2019 році науковці змогли штучно розширити кількість «літер» у ДНК до восьми, створивши так звану гачімоджі-ДНК (hachimoji, від японського «hachi» — «вісім» і «moji» — «літера»).

Тоді науковці показали, що така ДНК може поводитися, як справжня, формуючи водневі зв’язки між парами нововведених нуклеотидів Z-P і S-B. На додачу до цього, введення нових нуклеотидних пар не порушувало кристалічну структуру, тож потенційно гачімоджі-ДНК могла замінити справжню й розширити кількість інформації, яку можна вписати в один геном. Але перевірити, чи таку ДНК зможуть розпізнавати ферменти клітин, взялася американсько-корейська команда на чолі з науковцями Університету Каліфорнії у Сан-Дієґо.

Як фермент бактерії зчитав восьмилітерну ДНК?

Спершу науковці перевіряли, чи взагалі РНК-полімераза, фермент для переписування інформації з ДНК на РНК, кишкової палички (Escherichia coli) може розпізнавати кожен із нуклеотидів гачімоджі-ДНК і з’єднувати їх із відповідними парами. Для цього використовували короткі послідовності ДНК, де потрібний нуклеотид був на 10-й позиції від місця початку синтезу РНК, і перевіряли, чи за 15 секунд після запуску реакції з 9-нуклеотидної РНК перетвориться на 10-нуклеотидну. Окремо науковці перевіряли, чи замість справжньої пари фермент не приєднував випадковий нуклеотид.

Як виявилося, для всіх нуклеотидних основ утворювалися компліментарні пари, але збій найчастіше ставався в парі Z-P, де замість нуклеотиду P приєднувався природний гуанін. Цю проблему науковці обійшли, синтезувавши ще одну штучну нуклеотидну основу — Z*, у якій змінили частину молекули, замінивши нітрогрупу (-NO2) на карбоксамідну (-CON). Такий нуклеотид вже не зв’язувався з гуаніном, а лише зі своїм комплементарним нуклеотидом P. При цьому константа рівноваги реакції зв’язування цієї пари нуклеотидів виявилася лише приблизно вдвічі меншою, ніж для природної пари гуанін-цитозин. З цього науковці зробили висновок, що надійність формування штучної пари подібна на надійність формування природної.

Дослідники також вивчали, як саме РНК-полімераза зв’язує чужорідні для неї нуклеотиди. Для цього використали кріоелектронну мікроскопію — метод, за якого зразок спершу охолоджують до кріогенних температур, що сповільнює рух молекул і дозволяє вивчити їхню структуру з високою роздільною здатністю. Як виявилося, формування пари Z-P відбувалося схоже до формування природних пар нуклеотидів. У самому ферменті таким самим чином розташовувалися атоми металів, що пришвидшують реакцію, а штучні нуклеотиди зв’язувалися з тими самими ділянками РНК-полімерази, що й природні. Подібні результати ця ж команда науковців раніше отримала для пари нуклеотидних основ S-B.

Що робитимуть із розширеним «алфавітом» ДНК?

Самі автори дослідження називають своє відкриття підтвердженням того, що на основі восьмилітерної ДНК можна побудувати такі самі молекулярні взаємодії, як і на основі базової чотирилітерної. А науковці, що стоять за створенням гачімоджі-ДНК, також підкреслювали, що розширення списку молекул, які можуть бути основою живого, може дати нам краще розуміння того, яким потенційно може бути позаземне життя.

Автори статті запропонували аж три різних застосування такої технології. Першим є синтез білків, яких не існує в природі, із новими функціями, адже перетворити послідовність із S-B нуклеотидів на послідовність амінокислот, які зазвичай трапляються в білках, уже вдавалося в лабораторії. Другим є синтез некодуючих РНК, які також можуть відігравати різні функції в організмі, зокрема зв’язувати окремі сполуки. І нарешті третім застосуванням є використання конструкцій зі штучними нуклеотидами в медицині, наприклад, для доставки ліків у ракові клітини.

Разом із цим, можливість включення нестандартних нуклеотидів у послідовність РНК поки показали лише «в пробірці» — на ізольованих нуклеотидах і виділеній з клітин бактерії РНК-полімеразі. Чи зможуть існувати організми, які використовують такий восьмилітерний генетичний код, і якими вони будуть, належить з’ясувати в наступних дослідженнях.

Які неприродні речі робили молекулярні біологи

🦠 Нещодавно науковці представили також бактерію, яка може виживати без однієї з 20 амінокислот, які вважають необхідними для всіх організмів.

🧬 Дослідники також синтезували РНК, яка здатна сама виправляти в собі поломки, — таку рису вважають необхідною для зародження життя на Землі.

🧪 Біохіміки зібрали з нуля синтетичну клітину, наділивши її лише мінімальним геномом, але її досі доводиться підгодовувати та вводити рибосоми.

🔃 Неприродні речі знаходили й у природі: бактерії виявилися здатними синтезувати ДНК на основі білка, а не навпаки, як роблять усі організми.