Алфавит генетический: Научный дайджест: как вирусы меняют генетический алфавит и трудная женская доля эпохи неолита

Научный дайджест: как вирусы меняют генетический алфавит и трудная женская доля эпохи неолита

• Леонид Лунеев
• Би-би-си

9 мая 2021

Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.

Среди научных новостей недели:

• Война кодировок в мире вирусов и бактерий
• Разделение труда в эпоху неорлита
• Аспирин против грязного воздуха

Генная инженерия как оружие в бактериологической войне

Автор фото, Getty Images

Неклеточный инфекционный агент меняет свой код. Согласитесь, звучит как строчка из научно-фантастического шпионского романа. И по сути так оно и есть, потому что речь идет о вирусах (это они — агенты) и микробах, которые ведут затяжную войну по заражению и уничтожению друг друга. И в этой войне, не будучи связанными никакими конвенциями, они применяют самое изощренное оружие, вплоть до генетического.

По крайней мере к такому выводу пришли биологи Майкл Гроум и Фаррен Айзекс, обнаружившие целую армию бактериофагов (вирусов, пожирающих бактерии) с нестандартной ДНК, которую ученые назвали Z-геномом.

«Геномная ДНК состоит из четырех базовых нуклеотидов (азотистых оснований): аденина (А), тимина (Т) цитозина (С) и гуанина (G), которые вместе составляют АTCG — так называемый алфавит генетического кода, и все формы жизни на Земле имеют этот встроенный алфавит, — поясняют исследователи. — Однако в 1977 году в ДНК вируса-цианофага S-2L аденин (А) случайно оказался замещен 2-аминоаденином (Z), что изменило и сам генетический алфавит — ZTCG».

Такая модификация, судя по всему, сделала вирус более устойчивым, поскольку бактериям стало сложнее расщеплять его ДНК (с помощью химического, кстати, оружия — нуклеаз).

Тогда ученые поразились изворотливости вируса, но — поскольку других бактериофагов с Z-геномом обнаружить не удалось, а единственный имевшийся в неволе размножаться отказался, — о нем решили забыть как о редкой диковинке.

И вот теперь за Z-геном взялись сразу три научных группы из Китая и Франции, которые не только открыли целую группу вирусов с видоизмененным геномом, но и выявили два основных белка, которые кодирует такой геном.

Но самое интересное, по словам руководителя группы исследователей Тяньцзиньского университета Янь Чжоу, заключается в том, что Z-основание было обнаружено в одном из углеродных метеоритов и вполне могло положить начало жизни на Земле.

• «Полезные пожиратели». Что будет с нами, если все вирусы исчезнут?
• Ученые: больше половины ваших клеток — не человеческие

Трудная женская доля эпохи неолита

Автор фото, Getty Images

Пропустить Подкаст и продолжить чтение.

Подкаст

Что это было?

Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.

эпизоды

Конец истории Подкаст

Казалось бы, в учебниках истории нам наглядно объяснили, как с незапамятных времен случилось разделение труда — и ролей- между мужчинами и женщинами: пока одни бегали за дичью и отбивались от хищников и злобных соседей, другие приглядывали за детьми, шили одежды из шкур и поддерживали огонь в очаге.

Об этом свидетельствуют и предметы, обнаруженные в захоронениях времен неолита на обширных территориях, от современной Словакии до восточной Франции.

Мужчин обычно хоронили с каменными орудиями для работы по дереву или оружием для охоты или более зловещих целей, а женщин — со скребками и прочими принадлежностями для обработки шкур и кожи.

Но можно ли считать такое распределение обязанностей неравенством по половому признаку? И как определенные занятия на многие века вперед стали ассоциироваться именно с мужчинами или женщинами?

Исследователи во главе с Альбой Маскланс впервые проанализировали более 400 каменных орудий труда, обнаруженных в захоронениях времен раннего неолита на территории Центральной Европы с целью выяснить, как эти предметы использовались при жизни их владельцами. Для этого были детально изучены физические характеристики этих предметов, включая характер их износа.

Результате ученые пришли к выводу, что людей не обязательно хоронили с теми орудиями труда, которые им принадлежали или которыми они пользовались: эти предметы могли быть выбраны с тем, чтобы подчеркнуть типичную функцию, которую выполнял этот человек (или представители данного пола) в конкретном обществе.

«Наши современные патриархальные представления о труде заставляют нас применять имеющийся опыт к доисторическим временам, — говорит Маскланс. — К примеру, если мы говорим о работе по дому и уходе за детьми, мы автоматически ассоциируем это с женскими занятиями и считаем людей, которые их выполняют, и саму эту работу как бы второсортными, но ведь мы ничего не знаем о значимости такой работы в координатах системы ценностей неолита или палеолита».

А между тем, по словам ученого, неолитические сообщества вполне могли куда выше ценить работу по дому и другие чисто женские занятия, чем это принято сегодня.

«Для меня важно не только утвердить мысль о том, что женщины там тоже присутствовали — о чем некоторые историки напрочь забывают — но и понять, какую роль они сыграли в этих социоэкономических процессах, как это повлияло на их качество жизни и какие новые возможности им предоставило», — говорит исследовательница.

• Загадка Стоунхенджа близка к развязке?
• Обратная дискриминация: мужчин в Швеции не берут на «женские» работы

Новая грань старого аспирина

Автор фото, Getty Images

В ходе рутинного исследования воздействия мелких твердых частиц и углерода в атмосфере на здоровье человека, проводившегося с участием выделенной группы (когорты) пожилых мужчин в пригороде Бостона, исследователи (их работа опубликована в издании Nature Aging) пришли к двум выводам: довольно предсказуемому и весьма неожиданному.

Во-первых, выяснилось, что загрязненная атмосфера снижает когнптивные функции человека, а во-вторых — что обычный аспирин может этому процессу помешать.

Авторы исследования не смогли доказать прямой связи между аспирином и его воздействием на мозг, однако с точностью установили, что участники когорты, принимавшие нестероидные противовоспалительные препараты (НПВП), намного лучше прошли тесты на память, концентрацию и способность следовать инструкциям.

В результате они пришли к заключению, что кратковременное воздействие на человека загрязненной атмосферы может приводить к кратковременными же изменениям когнитивных функций, но этот процесс можно обернуть вспять, применив НПВП, читай — аспирин.

Ученые полагают, что все дело может быть в том, как именно аспирин снижает воспалительные процессы в мозгу (а такие воспаления при плохом качестве воздуха могут стать хроническими).

«Результаты наших исследований пока не свидетельствуют в пользу того, что всем пожилым людям следует принимать противовоспалительные препараты, поскольку нельзя забывать о побочном действии этих лекарств», — говорит один из авторов исследования Андреа Баккарелли.

Однако, по ее словам, необходимо провести дополнительные исследования с участием большего числа добровольцев, чтобы выяснить, как именно вредят мозгу примеси в атмосфере и что делает с мозгом аспирин, чтобы нивелировать это вредное воздействие.

• Таблетка аспирина в день для профилактики? Ученые не советуют
• Британские медики: при микроинсульте нужно пить аспирин
• Наш мозг и вся правда о «таблетке для ума»

Генетическому алфавиту добавили две буквы

С двумя буквами подопытные бактерии получили и два новых генетических слова.

Фотографий со светящимися бактериями на свете хоть пруд пруди, но именно эти засветились потому, что сумели синтезировать белок, закодированный с использованием совершенно новых генетических «слов». (Фото: Bill Kiosses / The Scripps Research Institute.)

Азотистые основания – генетические «буквы» – спариваются в цепях ДНК по определенным правилам, тем самым поддерживая постоянную структуру всей молекулы. (Иллюстрация: Richard Wheeler / Wikipedia.)

‹

›

Открыть в полном размере

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.

Генетический алфавит расширен. Или нет?

Дмитрий Жарков
«Наука из первых рук» №1(61), 2015

В десятку наиболее выдающихся результатов 2014 г. вошли работы исследователей из Скриппсовского института (Ла-Холья, США), которые не только создали ДНК с двумя новыми «буквами» генетического кода, но и заставили ее воспроизводиться внутри кишечной палочки — традиционного экспериментального объекта молекулярных биологов.

Как всем известно со школьной скамьи, «текст» молекулы ДНК — хранилища наследственной информации — написан всего четырьмя «буквами»: A, T, G и C. Буквы эти обозначают четыре азотистых основания — аденин, тимин, гуанин и цитозин, которые крепятся к сахарофосфатному остову. Две такие конструкции и составляют знаменитую двойную спираль ДНК, которая в итоге содержит все инструкции по постройке и работе нашего организма.

Две цепи ДНК связаны друг с другом по принципу комплементарности: напротив A в одной цепи всегда стоит T в другой, а напротив G — всегда C.  Между «противоположными» основаниями в этих парах образуются так называемые водородные связи, что и определяет соответствие оснований друг другу. Например, между A и C такие связи образоваться не могут, поэтому и говорят, что основания подходят друг к другу как ключ к замку.

Структура ДНК стала известна еще в середине прошлого века, и уже тогда ученые стали задаваться вопросами: почему живая природа использует именно эти две пары оснований, а не какие-нибудь другие, и нельзя ли как-нибудь «подкрутить винтики» в клетке, чтобы заставить ее использовать другие основания? Ответ на первый вопрос не получен до сих пор. Многие специалисты в области предбиологической эволюции предполагают, что такой выбор был случайностью, которая закрепилась в дальнейшем, когда был пройден самый трудный этап возникновения жизни на нашей планете — когда молекулы стали «репликаторами», т. е. научились воспроизводить сами себя.

Вероятность такого события очень мала, поэтому неудивительно, что если даже некогда и существовали комплементарные пары с другими основаниями, они просто не прошли через это «бутылочное горлышко» эволюции. Впрочем, первой молекулой-репликатором, скорее всего, была не ДНК, а РНК, которая, кстати сказать, вместо тимина использует еще одно азотистое основание — урацил, также образующий пары с аденином. При переходе к «миру ДНК» урацил заменился на тимин по причинам, связанным с надежностью хранения информации.

Самое интересное, что и сейчас известны организмы, у которых «великолепная четверка» отличается от описанной в школьном учебнике. Например, у многих бактериофагов — вирусов, поражающих бактерии, место тимина в ДНК занимает урацил либо гидроксиметилурацил или другие производные урацила с дополнительно присоединенным углеводным остатком. Такая «подмена» помогает вирусу защищаться от охранных систем бактерий, расщепляющих проникшую внутрь чужеродную ДНК. А в 1970-х гг. в обыкновенной луже ленинградские микробиологи обнаружили бактериофаг, у которого аденин полностью заменен другим основанием, 2,6-диаминопурином.

Что касается второго вопроса, то он лег в основу нового направления молекулярной биологии — создания искусственного генетического кода. Специалисты в этой области занимаются не только поиском возможностей создания альтернативных пар оснований, но и способов введения в структуру белков неканонических аминокислот (как известно, генетические системы всех известных на сегодня живых организмов кодируют ровно 20 «стандартных» аминокислот). Понятно, что если научиться собирать ДНК из расширенного репертуара пар оснований и заложить в код возможность включения в белки нестандартных аминокислот, то это откроет невиданные перспективы перед синтетической биологией — областью науки, занимающейся созданием несуществующих в природе живых систем и процессов.

На фоне такой глобальной проблемы достижение, отмеченное журналом Science, не выглядит чем-то сногсшибательным. Скорее это — очередная ступенька лестницы, строительство которой началось два десятилетия назад, причем ступенька не очень высокая. Главный концептуальный прорыв на этом пути был совершен еще в конце 1990-х гг. группой под руководством Э. Кула (Рочестерский университет, США), которая показала, что для создания стабильной пары оснований, хорошо укладывающейся в двойную спираль ДНК, вовсе не нужны водородные связи. Можно сделать искусственные основания, вообще не содержащие ни одного атома, способного образовывать такие связи, и они смогут не только стабильно существовать в ДНК, но и без проблем включаться в нее обычными ферментами ДНК-полимеразами, по крайней мере, некоторыми из них.

В лаборатории Ф. Роумсберга, удостоенной внимания редакторов Science, неклассическими основаниями занимаются уже не первый год. Но до недавних пор все исследования в этом направлении выполнялись in vitro, т. е. «в пробирке», а не в живой клетке. В этот раз исследователи взяли одну из таких «безводородных» пар оснований и попытались заставить ее воспроизводиться внутри бактерии кишечной палочки, традиционно используемой для экспериментов молекулярными биологами.

Однако в живом организме основания не возникают по желанию экспериментатора. За каждой из четырех букв в ДНК стоит многоходовая схема их синтеза в клетке и, разумеется, основания, придуманные химиками, клетка сама делать не может. Поэтому ученые схитрили: они ввели в бактерии белок из клеточной стенки диатомовой водоросли Phaeodactylum tricornutum, который способен захватывать те самые отдельные «буквы» ДНК непосредственно из внешней среды. Соответ­ственно, ненатуральные основания (точнее, не сами основания, а дезоксинуклеозидтрифосфаты — «кирпичики» с частью сахарофосфатного остова, из которых и строится ДНК) просто добавляли в культуральную среду, в которой росли такие бактерии.

Но существовала еще одна проблема, которую требовалось разрешить. Дело в том, что если заставить бактериальные клетки использовать ненатуральные основания в большом количестве, то бактерии просто не выживут, потому что существующий генетический аппарат не будет их «узнавать». Поэтому ученые ввели лишь одну-единственную ненатуральную пару, и то не напрямую в саму бактериальную ДНК, а в плазмиду — отдельную маленькую кольцевую молекулу ДНК, способную существовать и самовоспроизводиться внутри бактериальной клетки. А поскольку фермент ДНК-полимераза III, которая отвечает у бактерий за репликацию основной части генома, нестандартные основания вообще не узнает, ненатуральную пару оснований пришлось ставить даже не просто в плазмиду, а в очень маленький участок плазмиды, который синтезируется другим ферментом — ДНК-полимеразой I.

После всех этих манипуляций бактерии растили на обогащенной нестандартными основаниями среде в течение 15 часов — за это время клетки успевали поделиться 24 раза. Затем определяли, что находится в том месте плазмиды, где стояла ненатуральная пара. Если бы клетка не была способна при репликации использовать соответствующие друг другу неканонические нуклеотиды, а встраивала напротив них нормальные, то ненатуральная пара после 24 делений сохранилась бы только в 1 случае из 17 млн! Однако на самом деле ничего подобного не произошло: ненатуральная пара сохранялась в 86% случаев, замена произошла только спустя нескольких суток дальнейшего роста.

Важность работы Роумсберга и его коллег неоспорима, ведь им действительно впервые удалось показать работоспособность ненатуральной пары оснований в живой клетке. Но говорить о том, что в ней удалось «расширить генетический алфавит», очень и очень преждевременно — эта фраза вынесена в заголовок статьи в Nature явно с рекламными целями. В конце концов, авторы статьи обошли самые главные неразрешенные проблемы искусственного генетического кода. Ведь для того, чтобы на деле расширить алфавит ДНК, нужно как минимум встроить в клетку пути синтеза неканонических нуклеотидов, сделать их совместимыми с основной системой репликации и, главное, придумать, как при помощи новых букв заставить клетку производить и новые белки.

Задача по-прежнему выглядит чрезвычайно сложной — примерно, как полет в космос в эпоху начала аэронавтики. В этом смысле работу Роумсберга и его коллег можно сравнить с запуском шара братьев Монгольфье. Но в космос в конце концов полетели не воздушные шары, так что хотя отмеченное Science достижение — безусловно, шаг в нужном направлении, пока непонятно, приведет ли к цели именно эта дорога.

Литература:
1. Власов В. В., Воробьев П. Е. Мир РНК: вчера и сегодня // Наука из первых рук. 2012. № 3(45). С. 40–49.
2. Malyshev D. A., Dhami K., Lavergne T. et al. A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet // Nature.  2014. V. 509. № 7500. P. 385–388.

Почему в генетическом алфавите четыре буквы?

• Опубликовано: 01 декабря 2003 г.

• Эёрс Сатмари ^1,2  

Природа Обзоры Генетика
том 4 , страницы 995–1001 (2003 г.)Процитировать эту статью

• 1524 доступов

• 40 цитирований

• 9 Альтметрический

• Сведения о показателях

Аннотация

Мы перечисляем, не задумываясь, четыре типа оснований, из которых состоит ДНК: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Но почему четыре? Этот вопрос становится все более актуальным, поскольку химики-органики синтезировали новые пары оснований, которые могут быть включены в нуклеиновые кислоты. Здесь я утверждаю, что есть теоретические, экспериментальные и вычислительные причины полагать, что наличие четырех базовых типов является замороженным реликтом из мира РНК, когда РНК была генетическим, а также ферментативным материалом.

Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

Соответствующие статьи

Статьи открытого доступа со ссылками на эту статью.

• Пребиотическая конкуренция и эволюция самовоспроизводящихся полинуклеотидов могут объяснить свойства ДНК/РНК в современных живых системах.

  • Хемачандер Субраманиан
  • , Джоэл Браун
  •  и Роберт Гейтенби

  BMC Эволюционная биология
  Открытый доступ
  26 июня 2020 г.

Варианты доступа

Подписаться на журнал

Получите полный доступ к журналу на 1 год

99,00 €

всего 8,25 € за выпуск

Подписка

Расчет налогов будет завершен во время оформления заказа.

Купить статью

Получите ограниченный по времени или полный доступ к статье на ReadCube.

32,00 $

Купить

Все цены указаны без учета стоимости.

Рисунок 1: Рисунок спаривания оснований молекулы ДНК. Рис. 2. Шаблон спаривания оснований в зависимости от комплементарности формы. Рисунок 3: In silico эволюция РНК.

Ссылки

1. Фишер, Р. А. Генетическая теория естественного отбора (Oxford Univ. Press, Лондон, 1930).

   Книга

   Google ученый

2. Watson, JD & Crick, FHC Структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы. Природа 171 , 737 (1953).

   КАС

   Google ученый

3. Piccirilli, J. A., Krauch, T., Moroney, S. E. & Benner, S. A. Ферментативное включение новой пары оснований в ДНК и РНК расширяет генетический алфавит. Природа 343 , 33–37 (1990).

   КАС
   Статья
   пабмед

   Google ученый

4. Кул, Э. Т. Водородные связи, укладка оснований и стерические эффекты при репликации ДНК. Год. Преподобный Биофиз. биомол. Структура 30 , 1–22 (2001).

   КАС
   Статья
   пабмед

   Google ученый

5. Benner, S.A. et al. Редизайн нуклеиновых кислот. Чистое приложение. хим. 70 , 263–266 (1998).

   КАС
   Статья
   пабмед

   Google ученый

6. Матис, Г. и Ханзикер, Дж. На пути к ДНК-подобному дуплексу без пар оснований, связанных водородными связями. Анжю. хим. Междунар. Эд. 41 , 3203–3205 (2002 г.).

   КАС
   Статья

   Google ученый

7. Огава А.К., Ву Ю., Бергер М., Шульц П.Г. и Ромесберг Ф.Е. Рациональный дизайн неестественной пары оснований с повышенной кинетической селективностью. Дж. Ам. хим. соц. 122 , 8803–8804 (2000 г.).

   КАС
   Статья

   Google ученый

8. Kool, E. T. Синтетически модифицированные ДНК в качестве субстратов для полимераз. Курс. мнение хим. биол. 4 , 602–608 (2000).

   КАС
   Статья
   пабмед

   Google ученый

9. Switzer, C. Y., Moroney, S.E. & Benner, S.A. Ферментативное включение новой пары оснований в ДНК и РНК. Дж. Ам. хим. соц. 111 , 8322–8323 (1989).

   КАС
   Статья

   Google ученый

10. Робертс С., Бандару Р. и Свитцер С. Теоретическое и экспериментальное исследование изогуанина и изоцитозина: спаривание оснований в расширенной генетической системе. Дж. Ам. хим. соц. 119 , 4640–4649 (1997).

    КАС
    Статья

    Google ученый

11. Свитцер С.Ю., Морони С.Е. и Беннер С.А. Ферментативное распознавание пары оснований между изоцитидином и изогуанином. Биохимия 32 , 10489–10496 (1993).

    КАС
    Статья
    пабмед

    Google ученый

12. Chu, C.K., Reichmann, U., Watanabe K.A. & Fox, J.J. Нуклеозиды 104. Синтез 4-амино-5-(D-рибофуранозил)пиримидина C -нуклеозиды из 2-(2,3- O -изопропилиден-5- O -тритил-D-рибофуранозил)ацетонитрила. Дж. Орг. хим. 42 , 711–714 (1977).

    КАС
    Статья
    пабмед

    Google ученый

13. Фогель, Дж. Дж. и Беннер, С. А. Нестандартные водородные связи в дуплексных олигонуклеотидах. Пара оснований между аналогом пиримидина акцептор-донор-донор и аналогом пурина донор-акцептор-акцептор. Дж. Ам. хим. соц. 116 , 6929–6930 (1994).

    КАС
    Статья

    Google ученый

14. Тае, Э. Л., Ву, Ю., Ся, Г., Шульц, П. Г. и Ромесберг, Ф. Э. Усилия по расширению генетического алфавита: репликация ДНК с тремя парами оснований. Дж. Ам. хим. соц. 123 , 7439–7440 (2001).

    КАС
    Статья
    пабмед

    Google ученый

15. Ю. К., Генри А. А., Ромесберг Ф. Э. и Шульц П. Г. Распознавание полимеразой неестественных пар оснований. Анжю. хим. Междунар. Эд. 41 , 3841–3844 (2002).

    КАС
    Статья

    Google ученый

16. Мацуда, С. и др. Влияние акцепторов и доноров водородных связей с малой бороздкой на стабильность и репликацию четырех неестественных пар оснований. Дж. Ам. хим. соц. 125 , 6134–6139 (2003).

    КАС
    Статья
    пабмед

    Google ученый

17. Ву, Ю. и др. Ферментативное фосфорилирование неприродных нуклеозидов. Дж. Ам. хим. соц. 124 , 14626–14630 (2002 г.).

    КАС
    Статья
    пабмед

    Google ученый

18. Оцуки, Т. и др. Неестественные пары оснований для специфической транскрипции. Проц. Натл акад. науч. США 98 , 4922–4925 (2001).

    КАС
    Статья
    пабмед

    Google ученый

19. Hirao, I. et al. Неестественная пара оснований для включения аналогов аминокислот в белки. Природные биотехнологии. 20 , 177–182 (2002).

    КАС
    Статья

    Google ученый

20. Orgel, L.E. Нуклеиновые кислоты — добавление к генетическому алфавиту. Природа 343 , 18–20 (1990).

    КАС
    Статья
    пабмед

    Google ученый

21. Оргель, Л. Э. Эволюция генетического аппарата. Дж. Мол. биол. 38 , 381–393 (1968).

    КАС
    Статья
    пабмед

    Google ученый

22. Крик Ф.Х.К. Происхождение генетического кода. Дж. Мол. биол. 38 , 367–379 (1968).

    КАС
    Статья
    пабмед

    Google ученый

23. Wächtershäuser, G. Полностью пуриновый предшественник нуклеиновых кислот. Проц. Натл акад. науч. США 85 , 1134–1135 (1988).

    Артикул
    пабмед

    Google ученый

24. Зубай Г. Полностью пуриновый предшественник нуклеиновых кислот. Химические тракты 2 , 439–442 (1991).

    КАС

    Google ученый

25. Гилберт В. Мир РНК. Природа 319 , 618 (1986).

    Артикул

    Google ученый

26. Джойс, Г. Ф. Древность эволюции на основе РНК. Природа 418 , 214–221 (2002).

    КАС
    Статья
    пабмед

    Google ученый

27. Гарднер П.П., Холланд Б.Р., Моултон В., Хенди М. и Пенни Д. Оптимальные алфавиты для мира РНК. Проц. Р. Соц. Лонд. B 270 , 1177–1182 (2003).

    КАС
    Статья

    Google ученый

28. Фонтана В. , Конингс Д., Стадлер П. и Шустер П. Статистика вторичных структур РНК. Биополимеры 33 , 1389–1404 (1993).

    КАС
    Статья
    пабмед

    Google ученый

29. Шустер П. Эволюционная оптимизация на основе РНК. Ориг. Жизнь Эвол. Биосфера 23 , 373–391 (1993).

    КАС
    Статья

    Google ученый

30. Grüner, W. et al. Анализ карт последовательности и структуры РНК методом полного перебора. Монатшефте Хим. 127 , 355–374 (1996).

    Артикул

    Google ученый

31. Сатмари, Э. Четыре буквы генетического алфавита: застывший эволюционный оптимум? Проц. Р. Соц. Лонд. B 245 , 91–99 (1991).

    Артикул

    Google ученый

32. Сатмари, Э. Каков оптимальный размер генетического алфавита? Проц. Натл акад. науч. США 89 , 2614–2618 (1992).

    Артикул
    пабмед

    Google ученый

33. Беннер С.А., Эллингтон А.Д. и Тауэр С.А. Современный метаболизм как палимпсест мира РНК. Проц. Натл кислота. науч. США 86 , 7054–7058 (1989).

    КАС
    Статья

    Google ученый

34. Эйген М. Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул. Naturwiissenschaften 58 , 465–523 (1971).

    КАС
    Статья

    Google ученый

35. Роджерс Дж. и Джойс Г.Ф. Влияние цитидина на структуру и функцию рибозима РНК-лигазы. РНК 7 , 395–404 (2001).

    КАС
    Статья
    пабмед

    Google ученый

36. Ридер, Дж. С. и Джойс, Г. Ф. Рибозим, состоящий только из двух разных нуклеотидов. Природа 420 , 841–844 (2002).

    КАС
    Статья
    пабмед

    Google ученый

37. Mac Dónaill, DA. Интерпретация кода четности состава нуклеотидного алфавита. Хим. коммун. 18 , 2062–2063 (2002).

    Артикул

    Google ученый

38. Мак Донайл, Д. А. Почему природа выбрала A, C, G и U/T: перспектива кодирования ошибок состава нуклеотидного алфавита. Ориг. Жизнь Эвол. Биосфера 33 , 433–455 (2003).

    Артикул

    Google ученый

39. Мак Донайл, Д. А. и Броклебанк, Д. ab initio квантово-химическое исследование модели кодирования ошибок состава нуклеотидного алфавита. Мол. физ. 101 , 2755–2763 (2003 г.).

    Артикул

    Google ученый

40. МакГиннесс, К. Э. и Джойс, Г. Ф. В поисках рибозима репликазы РНК. Хим. биол. 10 , 5–14 (2003).

    КАС
    Статья
    пабмед

    Google ученый

41. Браутигам, К.А. и Стейтц, Т.А. Структурная и функциональная информация, обеспечиваемая кристаллическими структурами ДНК-полимераз и их субстратных комплексов. Курс. мнение Структура биол. 8 , 54–63 (1998).

    КАС
    Статья
    пабмед

    Google ученый

42. Сатмари, Э. Происхождение генетического кода: аминокислоты как кофакторы в мире РНК. Тенденции Жене. 15 , 223–229 (1999).

    Артикул
    пабмед

    Google ученый

43. Вонг, Дж. Т. Теория коэволюции генетического кода. Проц. Натл акад. науч. США 72 , 1909–1912 (1975).

    КАС
    Статья
    пабмед

    Google ученый

44. Мейнард Смит, Дж. и Сатмари, Э. Основные переходы в эволюции (Фриман, Оксфорд, 1995).

    Google ученый

45. Беннер, С. А. Синтетическая биология: действуй естественно. Природа 421 , 118 (2003).

    КАС
    Статья
    пабмед

    Google ученый

46. Хэмминг, Р. В. Коды обнаружения и исправления ошибок. Белл Сист. Техн. J. 29 , 147–160 (1950).

    Артикул

    Google ученый

Скачать ссылки

Благодарности

Я благодарю биологов Wissenschaftskolleg zu Berlin за живые обсуждения. Также Б. Папп и В. Мюллер, которые любезно прочитали рукопись перед отправкой.

Информация об авторе

Авторы и организации

1. Институт перспективных исследований, Берлин (Wissenschaftskolleg zu Berlin),

   Eörs Szathmáry

2. Институт перспективных исследований, Будапешт (Collegium Budapest), 2 Szentháromság, Budapest, H-1014, Венгрия

   Eörs Szathmáry

Авторы

1. Eörs Szathmáry

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

Декларации этики

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Ссылки по теме

Ссылки по теме

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Веб-страница Эёрса Сатмари

Научно-исследовательский институт Скриппса

Веб-страница Стивена Беннера

Глоссарий

АМИНО-А

Молекула аденина со второй аминогруппой (-NH ₂ ), присоединенной к ее углероду в положении 2, которая действует как дополнительный донор водородной связи.

ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ

Реакция молекулы воды с аминогруппой в положении 4 пиримидинового кольца цитозина, в результате которой цитозин превращается в урацил.

ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ

Естественный отбор, который способствует закреплению (увеличению частоты в популяции до 100%) определенного аллеля.

ЭПИМЕРИЗАЦИЯ

Самопроизвольное изменение конфигурации химических групп, присоединенных к так называемому асимметричному атому углерода. Такие изомеры не являются зеркальным отображением друг друга.

ТЕОРИЯ КОДИРОВАНИЯ ОШИБОК

Теория, разработанная Хэммингом для анализа обнаружения и исправления ошибок в сообщениях, состоящих из «нулей» и «единиц».

ФРАГМЕНТ КЛЕНОВА

ДНК-полимераза Escherichia coli без субъединицы экзонуклеазы.

МАЛЬТУСИАНСКАЯ СКОРОСТЬ РОСТА

на душу населения скорость роста населения моделируется в непрерывном времени.

РАВНОВЕСИЕ МУТАЦИИ–ОТБОРА

Равновесие, при котором отбор, уменьшающий частоту неблагоприятного аллеля, точно уравновешивает мутации, увеличивающие его частоту.

ОРТОГОНАЛЬНОСТЬ

Особенности натуральных и/или искусственных оснований, которые в данном наборе (алфавите) уменьшают степень включения неродственных пар оснований.

ПРОЦЕССОРНОСТЬ

Способность полимераз многократно добавлять основания к праймеру, расширяя даже новый тип основания.

РИБО-ОРГАНИЗМ

Клетка в мире РНК.

МИР РНК

Гипотетическая, но широко распространенная эпоха ранней эволюции, когда РНК-подобные молекулы были не только генетическим, но и ферментативным материалом.

МОДЕЛИРОВАННАЯ МОДЕЛЬ PROTOCELL

in silico Реализация рибоорганизма.

СТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ ВЫБОР

Отбор по среднему или промежуточному фенотипу; следовательно, элиминируются периферические варианты, что поддерживает существующее состояние адаптации в стабильной среде.

Права и разрешения

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Дополнительная литература

• Пребиотическая конкуренция и эволюция самовоспроизводящихся полинуклеотидов могут объяснить свойства ДНК/РНК в современных живых системах.

  

  • Хемачандер Субраманиан
  • Джоэл Браун
  • Роберт Гейтенби

  BMC Эволюционная биология (2020)

• Достижения в многомерной квантовой запутанности

  • Мануэль Эрхард
  • Марио Кренн
  • Антон Цайлингер

  Nature Reviews Physics (2020)

• Синтетическая биология и поиск альтернативных генетических систем: серьезное отношение к моделям «как возможно»

  • Рами Коскинен

  Европейский журнал философии науки (2017)

• Синтетический подход к абиогенезу

  • Джеймс Аттуотер
  • Филипп Холлигер

  Природные методы (2014)

• Биохимия и эволюционная биология: две дисциплины, которые нуждаются друг в друге

  • Атель Корниш-Боуден
  • Хули Перето
  • Мария Лус Карденас

  Журнал биологических наук (2014)

Четыре новые буквы ДНК удваивают алфавит жизни

Рентгеновское дифракционное изображение части молекулы ДНК. Новая 8-буквенная версия также стабильна. Предоставлено: Science Source/Science Photo Library

ДНК жизни на Земле естественным образом хранит свою информацию всего в четырех ключевых химических веществах — гуанине, цитозине, аденине и тимине, обычно называемых G, C, A и T соответственно.

Теперь ученые удвоили это количество строительных блоков жизни, впервые создав синтетический генетический язык из восьми букв, который, кажется, хранит и расшифровывает информацию точно так же, как естественная ДНК.

В исследовании, опубликованном 22 февраля в журнале Science ¹ , консорциум исследователей во главе со Стивеном Беннером, основателем Фонда прикладной молекулярной эволюции в Алачуа, Флорида, предполагает, что расширенный генетический алфавит теоретически мог бы, также поддерживать жизнь.

«Это настоящая достопримечательность, — говорит Флойд Ромесберг, химик-биолог из Научно-исследовательского института Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния. По словам Ромесберга, исследование предполагает, что в этих четырех химических веществах, возникших на Земле, нет ничего особенно «волшебного» или особенного. «Это концептуальный прорыв», — добавляет он.

Обычно, когда пара нитей ДНК закручивается друг вокруг друга в виде двойной спирали, химические вещества каждой нити образуют пары: А связывается с Т, а С связывается с G.

Долгое время ученые пытались добавить больше пар этих химических веществ, также известных как основания, к этому генетическому коду. Например, Беннер впервые создал «неестественные» базы в 1980-х годах. За ними последовали и другие группы: в 2014 году лаборатория Ромесберга попала в заголовки газет после того, как вставила пару неестественных оснований в живую клетку.

Но последнее исследование впервые систематически демонстрирует, что комплементарные неестественные основания распознают и связываются друг с другом, и что образуемая ими двойная спираль сохраняет свою структуру.

Команда Беннера, в которую входят исследователи из различных компаний и учреждений США, создала синтетические буквы, изменив молекулярную структуру обычных оснований. Буквы ДНК образуют пары, потому что они образуют водородные связи: каждая содержит атомы водорода, которые притягиваются к атомам азота или кислорода своего партнера. Беннер объясняет, что это немного похоже на кубики Lego, которые соединяются вместе, когда отверстия и зубцы совпадают.

Путем регулировки этих отверстий и выступов команда создала несколько новых пар оснований, в том числе пару с именами S и B и еще одну с именами P и Z ² . В последней статье они описывают, как комбинируют эти четыре синтетические основы с натуральными. Исследователи назвали получившийся восьмибуквенный язык «хатимодзи» в честь японских слов «восемь» и «буква». Каждое из дополнительных оснований похоже по форме на одно из четырех естественных, но имеет разные схемы связывания.

Затем исследователи провели серию экспериментов, которые показали, что их синтетические последовательности имеют общие свойства с природной ДНК, необходимые для поддержания жизни.

Поиск данных

Чтобы работать как система хранения информации, ДНК должна следовать предсказуемым правилам, поэтому команда впервые продемонстрировала, что, подобно обычным основаниям, синтетические основания надежно образуют пары. Они создали сотни молекул синтетической ДНК и обнаружили, что буквы предсказуемо связываются со своими партнерами.

Затем они показали, что структура двойных спиралей остается стабильной независимо от порядка расположения синтетических оснований. Это важно, потому что для развития жизни последовательности ДНК должны иметь возможность изменяться без разрушения всей структуры. Используя рентгеновскую дифракцию, команда показала, что три разные последовательности синтетической ДНК сохраняют одинаковую структуру при кристаллизации.

Это значительный прогресс, говорит Филипп Холлигер, биолог-синтетик из Лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже, Великобритания, потому что другие методы расширения генетического алфавита не являются столь структурно обоснованными. Вместо химических веществ, которые используют водородные связи для образования пар, в этих других подходах в качестве основы используются водоотталкивающие молекулы. Их можно размещать с промежутками между естественными буквами, но структура ДНК нарушается, если они расположены в ряд.

Наконец, команда показала, что синтетическая ДНК может быть точно транскрибирована в РНК. «Способность хранить информацию не очень интересна для эволюции», — говорит Беннер. «Вы должны быть в состоянии передать эту информацию в молекулу, которая что-то делает».

Преобразование ДНК в РНК является ключевым этапом перевода генетической информации в белки, рабочие лошадки жизни. Но некоторые последовательности РНК, известные как аптамеры, сами могут связываться со специфическими молекулами.

Команда Беннера создала синтетическую ДНК, которая кодирует определенный аптамер, а затем подтвердила, что транскрипция произошла и последовательность РНК функционирует правильно.

Холлигер говорит, что работа является захватывающей отправной точкой, но до создания настоящей восьмибуквенной синтетической генетической системы еще далеко. Один из ключевых вопросов, например, будет заключаться в том, может ли синтетическая ДНК реплицироваться полимеразами, ферментами, ответственными за синтез ДНК внутри организмов во время клеточного деления. Это было продемонстрировано для других методов, таких как метод Ромесберга, в котором используются водоотталкивающие основы.

Разнообразие жизни

Тем не менее, Беннер говорит, что работа показывает, что жизнь потенциально может поддерживаться основаниями ДНК со структурой, отличной от четырех, которые мы знаем, что может иметь значение при поиске признаков жизни в других местах во Вселенной.

Добавление букв к ДНК также может иметь более приземленное применение.

Благодаря большему разнообразию генетических строительных блоков ученые потенциально могут создавать последовательности РНК или ДНК, которые могут делать вещи лучше, чем стандартные четыре буквы, включая функции, выходящие за рамки генетического хранения.

Например, группа Беннера ранее показала, что нити ДНК, включающие Z и P, лучше связываются с раковыми клетками, чем последовательности только со стандартными четырьмя основаниями ³ . А Беннер создал компанию, которая занимается коммерциализацией синтетической ДНК для использования в медицинской диагностике.

Исследователи потенциально могут использовать свою синтетическую ДНК для создания новых белков, а также РНК. Команда Беннера также разработала дополнительные пары новых оснований, открыв возможность создания структур ДНК, содержащих 10 или даже 12 букв. Но тот факт, что исследователи уже расширили генетический алфавит до восьми, сам по себе примечателен, говорит Ромесберг. «Это уже удваивает то, что есть в природе».

Химики изобрели новые буквы генетического алфавита природы

Эмили Сингер

Наука

19 июля 2015 г. 7:00 утра

Ученые надеются, что новые генетические буквы, созданные в лаборатории, наделят ДНК новыми силами.

Елена Шмахало/Quanta Magazine

ДНК хранит наш генетический код в элегантной двойной спирали. Но некоторые утверждают, что эта элегантность переоценена. «ДНК как молекула имеет много недостатков», — сказал Стивен Беннер, химик-органик из Фонда прикладной молекулярной эволюции во Флориде.

Почти 30 лет назад Беннер набросал улучшенные версии как ДНК, так и ее химического кузена РНК, добавив новые буквы и другие дополнения, которые расширили бы их репертуар химических подвигов. Он задавался вопросом, почему эти улучшения не произошли у живых существ. Природа написала весь язык жизни, используя всего четыре химические буквы: G, C, A и T. Наш генетический код не случайно остановился на этих четырех нуклеотидах? Или эта система была одной из многих возможностей, выбранных по чистой случайности? Возможно, расширение кода могло бы сделать его лучше.

Первые попытки Беннера синтезировать новые химические буквы потерпели неудачу. Но с каждым фальстартом его команда узнавала больше о том, что делает хороший нуклеотид, и лучше понимала точные молекулярные детали, которые заставляют работать ДНК и РНК. Усилия исследователей продвигались медленно, поскольку им приходилось разрабатывать новые инструменты для управления расширенным алфавитом, который они создавали. «Нам пришлось воссоздать для нашей искусственно созданной ДНК всю молекулярную биологию, на создание которой у эволюции ушло 4 миллиарда лет для естественной ДНК», — сказал Беннер.

Теперь, после десятилетий работы, команда Беннера синтезировала искусственно усиленную ДНК, которая функционирует почти так же, как и обычная ДНК, если не лучше. В двух статьях, опубликованных в Журнале Американского химического общества в прошлом месяце, исследователи показали, что два синтетических нуклеотида, называемых P и Z, органично вписываются в спиральную структуру ДНК, сохраняя природную форму ДНК. Более того, последовательности ДНК, включающие эти буквы, могут эволюционировать так же, как и традиционная ДНК, впервые в расширенном генетическом алфавите.

Новые нуклеотиды даже превосходят по своим природным аналогам. Когда возникла задача развить сегмент, который избирательно связывается с раковыми клетками, последовательности ДНК с использованием P и Z показали себя лучше, чем без них.

«Если сравнивать четырехнуклеотидный и шестинуклеотидный алфавит, кажется, что шестинуклеотидная версия победила», — сказал Эндрю Эллингтон, биохимик из Техасского университета в Остине, не участвовавший в исследовании.

Беннер ставит перед собой высокие цели в отношении своих синтетических молекул. Он хочет создать альтернативную генетическую систему, в которой белки — сложные молекулы, выполняющие важные биологические функции, — не нужны. Возможно, предполагает Беннер, вместо нашей стандартной трехкомпонентной системы ДНК, РНК и белков жизнь на других планетах развивалась всего с двумя.

Лучшие чертежи жизни

Основная задача ДНК — хранить информацию. Его последовательность букв содержит чертежи для построения белков. Наш нынешний четырехбуквенный алфавит кодирует 20 аминокислот, которые связаны друг с другом для создания миллионов различных белков. Но шестибуквенный алфавит может кодировать до 216 возможных аминокислот и гораздо больше возможных белков.

Елена Шмахало/Quanta Magazine

Почему природа застряла на четырех буквах — один из фундаментальных вопросов биологии. В конце концов, компьютеры используют двоичную систему, состоящую всего из двух «букв» — 0 и 1. Тем не менее, двух букв, вероятно, недостаточно, чтобы создать набор биологических молекул, из которых состоит жизнь. «Если у вас есть двухбуквенный код, вы ограничиваете количество комбинаций, которые вы получаете», — сказал Раманараянан Кришнамурти, химик из Исследовательского института Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния.0019

С другой стороны, дополнительные буквы могут сделать систему более подверженной ошибкам. Основания ДНК идут парами — G-пары с C и A-пары с T. Именно это спаривание наделяет ДНК способностью передавать генетическую информацию. С большим алфавитом у каждой буквы больше шансов соединиться с неправильным партнером, и новые копии ДНК могут содержать больше ошибок. «Если вы идете дальше четырех, он становится слишком громоздким», — сказал Кришнамурти.

Самые популярные

Но, возможно, преимущества более крупного алфавита могут перевесить потенциальные недостатки. Шестибуквенная ДНК может плотно упаковать генетическую информацию. И, возможно, шестибуквенная РНК могла бы взять на себя часть работы, которую сейчас выполняют белки, выполняющие большую часть работы в клетке.

Белки имеют гораздо более гибкую структуру, чем ДНК и РНК, и способны складываться в множество сложных форм. Правильно свернутый белок может действовать как молекулярный замок, открывая камеру только правильным ключом. Или он может действовать как катализатор, захватывая и объединяя разные молекулы для химических реакций.

Добавление новых букв к РНК может дать ей некоторые из этих способностей. «Шесть букв потенциально могут складываться в большее количество разных структур, чем четыре буквы», — сказал Эллингтон.

Когда Беннер набрасывал идеи для альтернативных ДНК и РНК, именно этот потенциал он имел в виду. Согласно наиболее распространенной теории происхождения жизни, РНК когда-то выполняла как функцию хранения информации ДНК, так и каталитическую функцию белков. Беннер понял, что есть много способов сделать РНК лучшим катализатором.

«Благодаря этим маленьким открытиям я смог записать структуры, которые есть в моем блокноте, в качестве альтернатив, которые могли бы улучшить ДНК и РНК», — сказал Беннер. «Итак, вопрос: почему жизнь не создала эти альтернативы? Один из способов выяснить это — изготовить их самостоятельно в лаборатории и посмотреть, как они работают».

Предоставлено Стивеном Беннером

Одно дело разрабатывать новые коды на бумаге, и совсем другое — заставить их работать в реальных биологических системах. Другие исследователи создали свои собственные дополнения к генетическому коду, в одном случае даже включив новые буквы в живые бактерии. Но эти другие основания сочетаются друг с другом немного иначе, чем естественные, укладываясь друг на друга, а не соединяясь бок о бок. Это может исказить форму ДНК, особенно когда несколько таких оснований сгруппированы вместе. Однако пара Беннера P-Z предназначена для имитации натуральных оснований.

Одна из новых работ группы Беннера показывает, что Z и P связаны вместе одной и той же химической связью, которая связывает A с T и C с G. структура.) Милли Георгиадис, химик из Университета Индианы и Университета Пердью в Индианаполисе, вместе с Беннером и другими сотрудниками показала, что нити ДНК, включающие Z и P, сохраняют свою правильную спиральную форму, если новые буквы нанизаны вместе или перемежаются с естественными буквами.

«Это очень впечатляющая работа», — сказал Джек Шостак, химик из Гарвардского университета, изучающий происхождение жизни и не участвовавший в исследовании. «Найти новую пару оснований, которая не нарушила бы сильно двойную спиральную структуру ДНК, было довольно сложно».

Вторая статья команды демонстрирует, насколько хорошо работает расширенный алфавит. Исследователи начали со случайной библиотеки нитей ДНК, созданных из расширенного алфавита, а затем отобрали нити, которые были способны связываться с клетками рака печени, но не с другими клетками. Из 12 успешных связующих у лучших были Z и P в своих последовательностях, а у самых слабых их не было.

Самые популярные

«Большая функциональность азотистых оснований привела к большей функциональности самих нуклеиновых кислот», — сказал Эллингтон. Другими словами, новые дополнения улучшают алфавит, по крайней мере, в этих условиях.

Но необходимы дополнительные эксперименты, чтобы определить, насколько это верно. «Я думаю, что потребуется больше работы и более прямых сравнений, чтобы убедиться, что шестибуквенная версия обычно приводит к «лучшим» аптамерам [коротким цепям ДНК], чем четырехбуквенная ДНК», — сказал Шостак. Например, неясно, победил ли шестибуквенный алфавит, потому что он предоставил больше вариантов последовательности или потому, что одна из новых букв просто лучше связывает, сказал Шостак.

Беннер хочет еще больше расширить свой генетический алфавит, что может улучшить его функциональный репертуар. Он работает над созданием 10- или 12-буквенной системы и планирует перенести новый алфавит в живые клетки. Синтетические молекулы Беннера и других уже доказали свою полезность в медицинских и биотехнологических приложениях, таких как диагностические тесты на ВИЧ и другие заболевания. Действительно, работа Беннера помогла основать растущую область синтетической биологии, которая стремится создавать новую жизнь в дополнение к созданию полезных инструментов из молекулярных частей.

Почему код жизни ограничен

Работа Беннера и других исследователей предполагает, что более крупный алфавит может улучшить функцию ДНК. Так почему же природа не расширила свой алфавит за 4 миллиарда лет работы над ним? Это может быть связано с тем, что больший репертуар может иметь потенциальные недостатки. По словам Эллингтона, некоторые из структур, которые стали возможными благодаря более крупному алфавиту, могут быть низкого качества и с большим риском неправильного складывания.

Природа также была эффективно заперта в системе, когда зародилась жизнь. «После того как [природа] приняла решение о том, какие молекулярные структуры поместить в основу своей молекулярной биологии, у нее относительно мало возможностей изменить эти решения», — сказал Беннер. «Создавая неестественные системы, мы узнаем не только об ограничениях, существовавших в то время, когда впервые возникла жизнь, но и об ограничениях, которые мешают жизни широко искать в воображении химии».

Елена Шмахало/Журнал Quanta

Беннер намерен провести тщательное исследование этого химического пространства, используя свои открытия для создания новых и улучшенных версий как ДНК, так и РНК. Он хочет, чтобы ДНК лучше хранила информацию, а РНК лучше катализировала реакции. Он не показал прямо, что пары оснований P-Z делают это. Но оба основания могут помочь РНК складываться в более сложные структуры, что, в свою очередь, может сделать белки лучшими катализаторами. У P есть место для добавления «функциональной группы», молекулярной структуры, которая способствует складыванию и обычно встречается в белках. А у Z есть нитрогруппа, которая может способствовать молекулярному связыванию.

В современных клетках РНК действует как посредник между ДНК и белками. Но Беннер в конечном итоге надеется показать, что система из трех биополимеров — ДНК, РНК и белков — которая существует на протяжении всей жизни на Земле, не является существенной. По его словам, с более совершенными ДНК и РНК белки, возможно, не нужны.

Действительно, система из трех биополимеров может иметь недостатки, так как информация течет только в одном направлении, от ДНК к РНК к белкам. Если мутация ДНК производит более эффективный белок, эта мутация будет распространяться медленно, поскольку организмы без нее в конечном итоге вымирают.

Что, если бы более эффективный белок мог распространяться каким-то другим путем, напрямую создавая новую ДНК? ДНК и РНК могут передавать информацию в обоих направлениях. Таким образом, полезная мутация РНК теоретически может быть преобразована в полезную ДНК. Таким образом, адаптация может привести непосредственно к изменениям в генетическом коде.