nastya_maks (nastya_maks) wrote,
nastya_maks
nastya_maks

Генетическому алфавиту добавили две буквы

У всех живых организмов, от бактерий до человека, генетический алфавит состоит из четырех молекулярных букв – А, Т, Г, Ц. Буквы эти – азотистые основания аденин, тимин, гуанин и цитозин. В двуцепочечной молекуле ДНК они пришиты к длиннейшим сахарофософатным «перилам» и смотрят друг на друга – то есть в пространство между цепочек, причем напротив А всегда должен стоять Т, а напротив Г – Ц.



Но сами по себе буквы ничего не значат – они должны складываться в слова. Слова в генетическом коде земной жизни состоят из трех букв, образующих между собой разные комбинации. Такие слова-триплеты соответствуют аминокислотам, и когда идет синтез белка, то специальные машины читают код тройками, и в соответствии с последовательностью троек строят последовательность аминокислот. (Там есть особенности с передачей информации от ДНК через матричную РНК к белоксинтезирующим машинам, но эти подробности мы сейчас опустим.)

Если посчитать, сколько комбинаций-триплетов можно получить, имея на руках четыре буквы, то мы получим 64 комбинации. Между тем в синтезе белков участвуют всего 20 аминокислот. То есть код сильно избыточен, и потому одной аминокислоте часто соответствуют два, три и больше генетических слов.

Рано или поздно биологам должны была прийти в голову мысль, что генетический код можно отредактировать на фундаментальном уровне, то есть приписать каким-то словам новые значения, а то и вовсе расширить алфавит и словарь. Смена значений слов кажется более сложной задачей, ведь тут нужно сначала лишить триплет прежнего значения (о том, как это делают, мы как-то писали), а уж потом приписать ему новое.
Тем не менее, несколько лет назад в Science вышла статья, в которой описывалось, как у бактерий кишечной палочки удалось присвоить одному из избыточных триплетов значение абсолютно новой аминокислоты. Поскольку аминокислоты к белоксинтезирующей машине подвозят специальные транспортные РНК (тРНК), то пришлось создать и новую тРНК, которая носила бы с собой новую аминокислоту и распознавала бы ее код во время синтеза полипептидной цепи.
Но тРНК не сами хватают свои аминокислоты, для этого есть специальные ферменты – аминоацил-тРНК-синтетазы, которые узнают только свои аминокислоты и соответствующие им тРНК. Понятно, что авторам работы пришлось создать тут и новый фермент, который бы соединял новую аминокислоту с новой тРНК.

Но можно, как мы сказали, начать редактировать код еще раньше – с алфавита. Иными словами, что мы сначала должны создать новую букву, то есть новое азотистое основание. На самом деле, с химической точки зрения тут особо сложного ничего нет, и создать новую букву можно, просто модифицировав какую-нибудь старую. (Более того, клетки сами модифицируют «буквы», и порой довольно сильно, правда, код от этого не меняется.)

Но мало синтезировать новую «букву», она должна нормально встроиться в нуклеиновую кислоту и участвовать во всех необходимых молекулярных процессах. Впервые такие «буквы» появились в конце 80-х годов прошлого века, то были модификации гуанина и цитозина; ДНК с ними нормально удваивалась и на ней нормально синтезировалась молекула-посредник – матричная РНК, которая несет информацию о белке к белоксинтезирующему аппарату.

Флойд Ромесберг (Floyd Romesberg) и его коллеги из Института Скриппса за последние двадцать лет создали несколько сотен новых букв, однако расширить с их помощью генетический код удалось только сейчас. В своей последней работе исследователи вместе с сотрудниками биотехнологической компании Synthorx использовали два новых азотистых основания, которые для простоты лучше назвать X и Y.
В двуцепочечной молекуле ДНК они стоят друг напротив друга, но при этом соединяются они не так, как все остальные: если А и Т, Г и Ц держатся друг за друга водородными связями, то X и Y удерживаются друг напротив друга гидрофобными силами, что добавляет им странности. Тем не менее, пара X и Y не выбивается из ряда прочих «традиционных» пар, а значит, не нарушает структуру ДНК – ее физические параметры (расстояния между цепями, размер шага спирали и т. д.) остаются по всей длине прежними, что очень важно для взаимодействия с белками и вообще для целостности молекулы.

Поначалу, впрочем, бактерии с такой ДНК делились медленнее обычного и норовили заменить «нетрадиционную» ДНК нормальной. Однако исследователи все-таки доработали новые буквы, так что они перестали доставлять неудобство бактериям. Теперь осталось только сделать из них новые слова-триплеты, которые кодировали бы две аминокислоты. В качестве новых аминокислот выбрали модификации лизина и фенилаланина. Новые триплеты генетических букв оказались такими: AXC (то есть аденин-X-цитозин) и GYT (гуанин-Y-тимин). Их внедрили в ДНК, кодирующую зеленый флуоресцентный белок, а ДНК отправили в бактериальную клетку – и клетка засветилась зеленым. При этом, разумеется, у бактерий были вышеупомянутые ферменты и тРНК, чтобы обслуживать новые триплеты в коде и новые аминокислоты, а сами аминокислоты нужно было добавлять в питательную среду. Полностью результаты описаны в статье в Nature.

Возникает вопрос, зачем вообще нужно столь фундаментально вмешиваться в генетический алфавит и словарь. Здесь все просто: с новыми аминокислотами можно создавать новые белковые молекулы, сконструированные для конкретных задач. Конечно, белки модифицировали в лабораториях и раньше, но, внедрившись в генетический код, это можно проделывать намного эффективнее. И тут речь не только о белках, но и о полусинтетических организмах с новыми свойствами.
Причем не стоит забывать, что, добавив всего лишь две буквы, мы расширяем число возможных генетических слов до 216, и в результате получаем возможность кодировать еще 172 аминокислоты, вдобавок к прежним двадцати. Простор для биоинженерии, как видим, бескрайний.

Автор: Кирилл Стасевич
Tags: генетика, исследования, наука, новости, человек
Subscribe
promo nastya_maks july 17, 2014 10:14 21
Buy for 20 tokens
Оригинал взят у nyanwarcat в Осторожно! Очень залипабельно!
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments