Ученые создали шесть искусственных аналогов ДНК

Люди задумывались о том, есть ли во Вселенной кто-то еще, с тех самых пор, как осознали, что Земля - не единственное порождение мироздания, а всего лишь одна из многих планет, обращающаяся вокруг заурядной звезды на окраине ничем не примечательной галактики. Размышляя о наших потенциальных соседях по космосу, писатели-фантасты и изредка ученые приходили к выводу, что их тела вовсе не обязательно должны строиться на тех же химических принципах, что и наши. Диапазон "иных" варьируется от насекомо- и слизеподобных чудовищ до кремнийорганических организмов и разумных океанов.

Однако на Земле ученые до сих пор не находили существ, базовые принципы строения которых принципиально отличались бы от тех, которые свойственны людям или, скажем, дрожжам (пару лет назад появлялись сообщения о бактериях, использующих в своей ДНК мышьяк вместо фосфора, но они не подтвердились). То есть отдельные вариации в генетическом коде у некоторых древних организмов присутствуют, но кардинальных отличий в молекулах ДНК или белков все же не встречалось.

С развитием молекулярно-биологических методов ученые попытались реализовать мечту фантастов в лаборатории. К настоящему моменту им удалось создать множество альтернативных вариантов ДНК и РНК – ключевых "молекул жизни", в которых хранится наследственная информация о живых существах. Хотя до получения даже самого примитивного организма, использующего такие искусственные генетические хранилища, пока дело не дошло, исследователи пытаются заставить синтетические молекулы выполнять функции обычной ДНК - например, размножаться.

Авторы новой работы, опубликованной на днях в журнале Science, пошли еще дальше: не только создали шесть вариантов дезоксирибонуклеиновой кислоты, которые они назвали молекулами ксено-ДНК (от греческого "ксенос", что означает "чужой"), но еще и научили клеточные ферменты переводить информацию с языка этих молекул на язык ДНК и обратно. Кроме того, исследователи добились "эволюции" одного из вариантов ксено-ДНК, "вырастив" молекулы, специфически соединяющиеся с выбранными учеными мишенями.

Почти такие же

Все обитающие на Земле существа хранят полную информацию о себе в форме длинных молекул ДНК или РНК. Эти молекулы представляют собой полимеры, составленные из трех "блоков": молекулы сахара рибозы или дезоксирибозы (для РНК и ДНК соответственно), остатка фосфорной кислоты и азотистого основания. Данные о том, как будет выглядеть и развиваться тот или иной организм, закодированы в последовательности азотистых оснований (их всего четыре, они обозначаются буквами А, Т, Г и Ц, причем в РНК Т заменено на У), которые "насажены" на длинный каркас из сахара и фосфата.

Основания А-Т и Г-Ц обладают повышенным сродством друг к другу - исследователи называют его комплементарностью - и, оказываясь рядом, стремятся соединиться в пары. Природа эксплуатирует такое взаимное притяжение оснований друг к другу для повышения надежности хранения информации: все нити ДНК содержатся в клетках не по одной, а комплементарными парами. Можно сказать, что последовательность нуклеотидов одной нити - это оригинал, а другой - негатив, используя который, можно однозначно восстановить информацию парной ему нити.

Создавая искусственные ДНК, ученые чаще меняют азотистые основания - при таком подходе, в перспективе, можно получить альтернативные варианты генетического кода. Авторы новой работы под руководством Филиппа Холлигера (Philipp Holliger) решили поменять структуру сахаро-фосфатного остова. Молекулы рибозы и дезоксирибозы представляют собой кольца из четырех атомов углерода и одного атома кислорода, к которым приделаны разнообразные "хвостики". Похожую структуру имеют многие другие химические соединения - например, циклический сахар треоза, или циклогексан. Холлигер и соавторы создали шесть вариантов ксено-ДНК, в каждом из которых дезоксирибоза была заменена на одну из сходных молекул.

До тех пор, пока ксено-ДНК синтезируется только химическим путем в лаборатории, ее принципиально нельзя называть заменой ДНК - для настоящей мимикрии "подделку" должны узнавать клеточные ферменты, отвечающие за копирование дезоксирибонуклеиновых кислот - полимеразы. Эти ферменты синтезируют новые нити ДНК, используя уже существующие в качестве матрицы.

Так как нормальные полимеразы ксено-ДНК не идентифицируют, авторы нового исследования решили вывести поколение ферментов, "заточенное" для работы с искусственной ДНК. Ученые получили смесь из ДНК-полимераз, каждая из которых несла случайную мутацию, слегка изменявшую ее структуру и, соответственно, сродство к ДНК. К этим "неисправным" ферментам авторы добавили различные варианты ксено-ДНК и выбрали полимеразы, которые лучше всего узнавали "подделки" и пытались копировать содержащуюся в них информацию в ДНК. Холлигер и коллеги повторили отбор несколько раз и в итоге получили ферменты, прицельно узнающие тот или иной вид ксено-ДНК.

Для того чтобы добиться полной универсальности созданных ими синтетических молекул, ученые использовали ту же схему для отбора ферментов, строящих молекулы ксено-ДНК на матрице "нормальных" ДНК. Оба типа ферментов работают с довольно высокой точностью - до 95 процентов, однако этот результат гораздо ниже, чем у нативных полимераз (они ошибочно выбирают нуклеотид не чаще одного раза из десяти тысяч попыток, но за счет последующей коррекции другими ферментами итоговая точность оказывается на много порядков выше). В будущем авторы работы планируют получить фермент, который мог бы размножать созданные ими молекулы непосредственно - то есть без промежуточной стадии копирования информации в ДНК.

Наконец, в своем исследовании Холлигер и коллеги смогли заставить ксено-ДНК эволюционировать - согласно общепринятой гипотезе, именно так обычная ДНК приобрела свои нынешние свойства. Ученые решили проверить, смогут ли ксено-ДНК развить в себе сродство к случайно выбранным для эксперимента молекулам белка и РНК (именно сродство к РНК и ферментам, умеющим копировать нити дезоксирибонуклеиновой кислоты, должно было обеспечить выживание давним предкам ДНК, присутствующей в наших клетках).

Исследователи синтезировали множество случайных ксено-ДНК и выбрали из них нити, обладавшие наибольшим сродством к интересующим авторов белку и РНК. Ученые скопировали последовательность "счастливчиков" в ДНК, размножили их и вновь перевели в вид ксено-ДНК, попутно добавив в них еще немного мутаций. За несколько серий такого отбора, имитирующего борьбу за выживание на молодой Земле, специалисты получили ксено-ДНК, специфично и прочно связывающуюся с белком и РНК.

Другая жизнь

Публикация работы Холлигера и коллег спровоцировала вал статей в прессе, общий смысл которых сводился к двум утверждениям. Первое - что наконец-то ученые сделали первый полноценный шаг к созданию искусственной жизни, и второе - о том, что нынешняя структура ДНК и РНК была отобрана в ходе эволюции не благодаря своей уникальности, а более или менее случайно. Точнее, не совсем случайно, а по принципу "сохраняем первое, что хоть как-то работает".

Комментировать первое утверждение пока преждевременно. Даже если эта работа и позволит в будущем создавать организмы с другой структурой ДНК (хотя зачем это делать - пока неясно), то произойдет это событие так нескоро, что все сегодняшние соображения успеют не один раз устареть. Что же касается второго, то дискуссии о случайном или неслучайном отборе ДНК длятся не одно десятилетие и новое исследование вряд ли положит конец этим спорам.

"В нынешней молекулярно-биологической структуре клетки много произвольных на вид вариантов и "исторического наследия" - но мы не знаем, какие были альтернативы, что с ними стало и были ли они вообще. Ведь дело не только в оптимальности или неоптимальности существующих систем, но и в том, что они должны были в принципе возникнуть. Не исключено, что другие варианты, которые могли быть ничуть не хуже, просто были недостижимы в условиях той химии, которая была на Земле 3,5 миллиарда лет назад", - комментирует ситуацию вокруг уникальности ДНК биоинформатик, заместитель директора Института проблем передачи информации Михаил Гельфанд.

Впрочем, у новой работы есть и вполне практический аспект. Чужеродные клетке нити ксено-ДНК игнорируют не только "нормальные" полимеразы, но и другие ферменты - в том числе и те, которые отвечают за разрушение нуклеиновых кислот. А это означает, что при помощи "поддельной" ДНК можно инактивировать какой-нибудь вредный для организма белок, предварительно научив ксено-ДНК узнавать его по описанной выше схеме. Так как клетка не может разрушить молекулу-ингибитор обычным путем, она навсегда "выключит" нежелательный белок.

Такой направленный метод лечения заболеваний может быть очень эффективным, хотя у него есть один серьезный недостаток, который, как водится, следует из его достоинств. Решение поместить в клетку молекулу, способную связываться с ДНК, да еще и принципиально "неубиваемую" - это довольно рискованный шаг, все последствия которого будет очень трудно просчитать. С другой стороны, людям свойственно видеть всевозможные, в том числе и исчезающе малые риски в любом новом подходе - даже в том, который, возможно, никогда не станет по-настоящему важным, а забудется как забавный курьез.