Пару миллиардов лет назад четыре молекулы танцевали в элегантной структуре ДНК с двойной спиралью, которая обеспечивает коды для жизни на нашей планете. Но были ли эти четыре игрока действительно основополагающими для появления жизни - или другие могли также породить наш генетический код?
Новое исследование, опубликованное сегодня (20 февраля) в журнале Science, поддерживает последнее предположение: ученые недавно сформировали новый вид ДНК в ее элегантную структуру с двойной спиралью и обнаружили, что она обладает свойствами, способными поддерживать жизнь.
Но если естественная ДНК - это короткая история, эта синтетическая ДНК - это роман Толстого.
Исследователи создали синтетическую ДНК, используя четыре дополнительные молекулы, так что полученный продукт имел код, состоящий из восьми букв, а не четырех. С увеличением количества букв эта ДНК обладала гораздо большей способностью хранить информацию. Ученые назвали новую ДНК «hachimoji» - что означает «восемь букв» на японском языке - расширяя предыдущую работу из разных групп, которые создали похожую ДНК из шести букв.
Написание кода
Природная ДНК состоит из четырех молекул, называемых азотистыми основаниями, которые соединяются друг с другом, образуя код для жизни на Земле: А связывается с Т; G связывается с C. ДНК Hachimoji включает эти четыре природных основания, а также еще четыре синтетических нуклеотидных основания: P, B, Z и S.
Исследовательская группа, в которую вошли несколько разных групп в США, создала сотни таких двойных спиралей Хачимоджи с различными комбинациями пар оснований природного и синтетического нуклеотидов. Затем они провели серию экспериментов, чтобы выяснить, обладают ли различные двойные спирали свойствами, необходимыми для поддержания жизни.
Природная ДНК обладает свойством, которое не имеет ни одна другая генетическая молекула: она стабильна и предсказуема. Это означает, что исследователи могут точно рассчитать, как он будет вести себя при определенных температурах и условиях, в том числе когда он будет ухудшаться.
Но оказывается, что исследователи также смогли сделать это с ДНК Hachimoji - они могли придумать набор правил, которые могут предсказать стабильность ДНК, когда она подвергается воздействию различных температур.
Требования к жизни
Открытие того, что можно добавить четыре синтетических основы и все еще получить «код, который предсказуем и программируем… это просто беспрецедентно», - сказал Флойд Ромесберг, профессор химии в Scripps Research в Калифорнии, который не участвовал в исследовании, но кто ранее опубликованное исследование более раннего шестибуквенного кода. Этот «исторический документ» действительно предполагает, что G, C, A и T «не уникальны», сказал Ромесберг в интервью Live Science.
Старший автор Стивен Беннер,с этим согласился выдающийся научный сотрудник Фонда прикладной молекулярной эволюции во Флориде. Если где-то еще во вселенной жизнь также закодирована в ДНК, она не будет «точно такой же, как у нас здесь на Земле», - сказал Беннер в интервью Live Science. «Очень полезно проводить подобные эксперименты в лаборатории, чтобы понять, какие альтернативные структуры».
Но создания ДНК, которая хранит информацию, недостаточно, отметил Беннер. Он также должен иметь возможность передавать эту информацию своей родственной молекуле РНК, чтобы эта РНК могла затем инструктировать белки, чтобы они выполняли все действия в организме.
Имея это в виду, исследователи разработали синтетические ферменты - белки, которые способствуют реакции - которые успешно скопировали ДНК Hachimoji в РНК Hachimoji. Кроме того, они обнаружили, что молекула РНК способна складываться в своего рода L-образную форму, которая будет необходима для дальнейшей передачи информации.
Кроме того, нити ДНК должны иметь возможность скручиваться в одну и ту же трехмерную структуру - знаменитую двойную спираль.
Команда создала три кристаллические структуры ДНК Hachimoji, каждая с различными последовательностями из восьми пар оснований, и обнаружила, что действительно, каждая формирует классическую двойную спираль.
Тем не менее, для того, чтобы ДНК Хачимоджи поддерживала жизнь, есть пятое требование, сказал Беннер. То есть оно должно быть самоокупаемым или иметь способность выживать самостоятельно. Тем не менее, исследователи остановились на этом этапе, чтобы предотвратить превращение молекулы в биологическую опасность, которая однажды может проникнуть в геномы организмов на Земле.
Расширяющийся словарный запас
Помимо мимолетных альтернатив жизни в космосе, эта восьмибуквенная цепочка ДНК также находит применение на нашей планете. Беннер сказал, что восьмибуквенный генетический алфавит будет хранить больше информации и более точно привязываться к определенным целям. Например, ДНК Hachimoji может быть использована для связывания раковых клеток печени или токсинов сибирской язвы или для ускорения химических реакций.
«Увеличивая количество букв с шести до восьми, разнообразие последовательностей ДНК значительно увеличивается», - сказал Ичиро Хирао, синтетический молекулярный биолог из Института биоинженерии и нанотехнологий, A * STAR в Сингапуре, который также не участвовал в исследовании. сказал в электронном письме. (Команда Хирао также участвовала в предыдущем исследовании, в котором были созданы шестибуквенные нити ДНК)
Конечно, «это всего лишь первая демонстрация» двойной буквы спирали ДНК из восьми букв, и для практического использования нам необходимо повысить точность и эффективность репликации и транскрипции в РНК, - сказал Хирао в электронном письме. Он воображает, что в конечном итоге они смогут построить еще больше букв.
