• 29.03.2024 09:50

    Химики создали транскрибируемую синтетическую ДНК с восьмибуквенным алфавитом

    Автор:beron

    Фев 22, 2019 #наука, #техника
    Химики создали транскрибируемую синтетическую ДНК с восьмибуквенным алфавитом

    Американские химики синтезировали новые четыре аналога
    азотистых оснований, которые формируют пары по принципу комплементарности так
    же, как это делают природные основания A,T,G,C в составе ДНК
    живых организмов. Как показали ученые в статье в Science, полимер, содержащий все восемь букв
    («хатимодзи-ДНК»), напоминает по свойствам обычную ДНК и соответствует
    критериям носителя информации. Более того, с восьмибуквенной матрицы при помощи
    природного фермента удалось синтезировать молекулу РНК.

    Информация в молекулах ДНК у всех живых организмов на Земле
    кодируется с использованием всего четырех букв генетического алфавита — A,T,G,C, за
    которыми скрываются азотистые основания пуринового и пиримидинового типа аденин,
    тимин, гуанин и цитозин. Эти четыре основания формируют пары по принципу
    комплементарности (A-T, G-C), которые удерживаются водородными связями. Любая
    последовательность букв формирует двойную спираль ДНК, которая обладает
    упорядоченной определенным образом структурой.

    Эрвин Шредингер, рассуждая о природе носителя информации, предположил, что он представляет собой атипичный кристалл, мутации в котором не
    приводят к утрате свойств кристалла. Авторы новой статьи в Science (где и цитируется Шредингер), химики из Firebird Biomolecular
    Sciences во Флориде под руководством Стивена Беннера (Steven Benner),
    одного из пионеров синтетической биологии, расширили генетический алфавит с
    четырех букв до восьми. Ученые показали, что получившийся полимер в той же степени соответствует
    критериям Шредингера, что и природная ДНК. Такой полимер авторы назвали «хатимодзи-ДНК»,
    что переводится как «восемь букв».

    Химики создали транскрибируемую синтетическую ДНК с восьмибуквенным алфавитом

    Пары оснований внутри хатимодзи ДНК и в дуплексе ДНК-РНК

    Ученые синтезировали две новых пары, Z-P и S-B, которые
    тоже удерживаются водородными связями, и проанализировали свойства двойной
    спирали с расширенным алфавитом. Они показали, что такие цепочки обладают
    регулярной структурой и предсказуемыми термодинамическими свойствами вне
    зависимости от последовательности. Кроме того, ученые показали, что с хатимодзи-матрицы
    можно синтезировать цепочку РНК.

    В этом эксперименте ученые использовали вирусную T7 РНК-полимеразу, которая
    синтезировала на ДНК-матрице с использованием соответствующих рибонуклеотидов цепочку
    хатимодзи-РНК, складывающуюся в определенную структуру (аптамер). Структура, в
    свою очередь, связывала молекулу флуоресцентного красителя, которая при этом активировалась.
    Таким образом, синтез РНК можно было детектировать по свечению раствора.

    Химики создали транскрибируемую синтетическую ДНК с восьмибуквенным алфавитом

    Структура синтезируемого хатимодзи-аптамера РНК и его свойства

    Оказалось, что полимераза дикого типа способна
    использовать только три новых буквы из четырех, но перебрав все имеющиеся
    варианты ученые обнаружили мутантную версию полимеразы с тремя аминокислотными
    заменами, которая могла вставлять в РНК все четыре новых буквы.

    Таким образом, ученые расширили генетический алфавит до
    восьми букв, увеличили плотность кодируемой информации и показали потенциальную
    возможность ее расшифровки в живых системах. Однако это не первый такой случай:
    мы рассказывали о том, как группа Флойда Ромсберга успешно реплицировала ДНК с
    шестибуквенным алфавитом в бактериях и даже закодировала с ее помощью новые аминокислоты.
    В этой серии работ ученые использовали другую пару X-Y, которая удерживается при помощи гидрофобных взаимодействий.

    Как пишут в новой статье создатели «хатимодзи-ДНК»,
    гидрофобные взаимодействия накладывают ограничения на последовательность букв,
    в которых можно использовать такую пару, потому что протяженные участки из
    таких пар в конечном итоге нарушают структуру ДНК. Свою восьмибуквенную ДНК
    авторы пока собираются использовать не для расширения генетического кода, а в
    более прикладных целях, например, для бар-кодирования последовательностей при
    секвенировании, создания наноструктур с заданными свойствами или для хранения
    информации вне клетки (о том как используют ДНК в качестве внешнего носителя,
    можно прочитать в нашем блоге).

    Дарья Спасская

    Источник
    Автор: Ученый

    Автор: beron