feanoturi (feanoturi) wrote,
feanoturi
feanoturi

Синтетический «имплант» ДНК прижился в организме бактерии

Исследователи из США создали первый организм, который способен к росту и репликации, имея в составе своей ДНК дополнительную неканоническую пару азотистых оснований – основой ДНК такого организма является не четыре азотистых основания, а шесть.

Несмотря на то, что попытки спроектировать и синтезировать искусственные нуклеотиды предпринимались десятилетиями, результат, о котором сообщается в работе, руководителем которой является Флойд Ромесберг (Floyd Romesberg) из Исследовательского Института Скриппса, представляет собой первую искусственную пару азотистых оснований, которая может быть инкорпорирована живой клетку в свою ДНК, в результате чего в этой ДНК-азбуке количество «букв»-нуклеотидов увеличивается в полтора раза – с четырех до шести. Новая технология может стать основой для синтетической биологии, поскольку такая ДНК может хранить кодированную генетическую информацию еще о 152 аминокислотах (в дополнение к 20 каноническим протеиногенным), что, очевидно, позволит синтезировать уникальные по строению и свойствам белки.

ДНК каждого организма на планете Земля содержит только две нуклеотидные пары – аденин–тимин (A–T) и цитозин-гуанин (Ц–Г). Ромесбергу с коллегами удалось получить «полусинтетический» штамм Escherichia coli, содержащий дополнительную пару азотистых оснований, получивших название X–Y.

DNA_infograph_630m (1)

Дополнительная пара азотистых оснований увеличивает количество аминокислот, которые могут быть закодированы ДНК. (Рисунок из Nature, 2014, DOI: 10.1038/nature13314)


Исследователи из группы Ромесберга пытались расширить традиционный четырехбуквенный алфавит ДНК в течение 20 лет. За последнее десятилетие исследователи сконструировали несколько новых нуклеотидов, энергия комплементарного взаимодействия которых сравнима с энергией взаимодействия пар А–Т и Г–Ц, которые также могут встраиваться в цепочку ДНК, содержащей природные азотистые основания. Наиболее перспективной парой показалась пара двух молекул – d5SICS и dNAM, взаимодействие которых основано на гидрофобных взаимодействиях. Было продемонстрировано, что ДНК, содержащая эти искусственные нуклеотиды, может реплицироваться in vitro в присутствии фермента ДНК-полимеразы, участвующей в естественной репликации ДНК.

Следующий этап исследования представлял собой гораздо более непростую задачу – интегрирование этой пары оснований с живым организмом. Исследователи синтезировали плазмиду – циклический фрагмент бактериальной ДНК, содержащий единичную пару d5SICS–dNAM, эта плазмида была успешно усвоена клетками E. Coli.

DNA_Structures_300m

Несмотря на этот успех, главной проблемой оказалась репликация ДНК. Поскольку новые азотистые основания не могут вырабатываться в клетках, исследователям нужно было решить проблему поставку в бактерию новых азотистых оснований, без которых репликация ДНК была бы невозможна.

Как отмечают исследователи, ключом к решению этой проблемы была генетическая модификация и получение линии E. Coli с уникальным транспортным белком, способным к специфическому связыванию синтетических азотистых оснований и нуклеотидов. После долгих поисков было обнаружено, что транспортный белок диатомовой водоросли Phaeodactylum tricornutum может проносить трифосфаты d5SICS и dNAM через мембрану клетки. Модификация E. coli, позволяющая осуществлять экспрессию этого транспортного белка, позволит таким бактериям усваивать синтетические нуклеотиды, находящейся в питательной следе. Такой подход позволил контролировать репликацию с участием новых нуклеотидных пар – если в питательной среде клетки больше не присутствуют компоненты X–Y-пары, клетка усваивает Г–Ц пары.

После того, как новые полусинтетические клетки начали расти и делиться нормально, исследователи с помощью методик секвенирования продемонстрировали, что в плазмидах-репликах сохраняются синтетические нуклеотидные пары. Было показано, что пары X–Y не удалялись из клеток теми их системами, которые обычно осуществляют процесс репарации ДНК – удалению мутировавших и аномальных фрагментов генетического кода. Было обнаружено, что за 15 часов культивирования дублирование-репликация аномальных нуклеотидных пар происходит с 99.4% вероятностью.

Исследователи уверены, что открытие открывает бесчисленные возможности синтетической биологии. Новые азотистые основания могут расширить возможности клетки по синтезу белков – «шестибуквенная» ДНК может кодировать до 172 аминокислот, что увеличивает вариабельность белков, образующихся в процессе трансляции такой нуклеиновой кислоты. Новые азотистые основания также могут использоваться для создания новой регуляторной архитектуры в клетках при их включении в участки генов-промоторов или генов-репрессоров. В планах исследователей – как изучение практических аспектов таких синтетических биологических организмов, так и дальнейшее исследование теоретических аспектов синтетической биологии – отработка процессов транскрипции РНК, содержащих синтетические азотистые основания.

Написано для новостного раздела сайта chemport.ru
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 8 comments