Генетический алфавит: 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.

Расширение генетического алфавита | Национальные институты здравоохранения (NIH)

Вы находитесь здесь

Главная » Новости и события » NIH Research Matters

19 мая 2014 г.

Ученые вставили неестественную пару оснований, отмеченную X-Y, в последовательность плазмиды. исследователи, любезно предоставлено Nature

Ученые создали первый живой организм, который может расти и размножаться, используя пары оснований ДНК, не встречающиеся в природе. Это достижение является важным шагом на пути к созданию новых терапевтических средств и наноматериалов.

Синтетическая биология стремится перепроектировать естественные биологические системы для новых целей. Повторно присваивая встречающиеся в природе стоп-кодоны, исследователи ранее могли включать синтетические нестандартные аминокислоты, строительные блоки белков, в белковые структуры живых клеток. Это достижение повышает вероятность того, что ученые смогут переоборудовать природу для создания новых форм белков для терапевтических и других целей.

Группа под руководством доктора Флойда Э. Ромесберга из Исследовательского института Скриппса стремилась расширить сам генетический код, тем самым обеспечив большую гибкость при создании новых биоматериалов. ДНК представляет собой длинную молекулу, состоящую из четырех химических оснований: аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц) и тимина (Т). Определенные основания соединяются друг с другом — А с Т и С с G — для формирования единиц, называемых парами оснований. Порядок этих оснований определяет гены и другую информацию, необходимую клетке для функционирования.

В лаборатории исследователи смогли расширить генетический алфавит, включив в ДНК несколько неестественных пар оснований. Но включение неестественных оснований в ДНК внутри организма создает более серьезные проблемы. Во-первых, основания доставляются в клетку белками, называемыми переносчиками нуклеотидтрифосфатов, и эти белки должны быть способны переносить неестественные основания. Во-вторых, неестественная пара оснований должна образовываться во время репликации ДНК, как естественная, и стабильно выстраиваться рядом с естественными парами в ДНК. Неестественная пара должна была бы связываться с родством, подобным родству естественных пар, чтобы разделиться и воссоединиться во время операций с ДНК. Основания также должны избегать распознавания и удаления естественными механизмами репарации ДНК.

Команда Ромесберга выбрала для этого исследования неестественную пару оснований, образованную между молекулами d5SICS и dNaM. Сначала они протестировали несколько различных переносчиков нуклеотидтрифосфатов, чтобы найти тот, который мог бы эффективно импортировать неестественные основания в клетки Escherichia coli . Их работа финансировалась Национальным институтом общих медицинских наук NIH (NIGMS). Исследование было опубликовано 15 мая 2014 года в Nature .

Команда идентифицировала переносчика из вида микроводорослей, который может импортировать неестественные основания из окружающей среды в клетку. Затем они создали штамм E. coli , из которого сделан переносчик. Наконец, они вставили в клетки плазмиду — кольцевой фрагмент ДНК, содержащий одну пару d5SICS-dNaM.

Полученная бактерия является первым организмом, способным стабильно поддерживать ДНК, состоящую из 3 типов пар оснований. Плазмида, содержащая пару d5SICS–dNaM, реплицировалась с точностью (удержание на удвоение) более 99%, что сравнимо с ошибкой репликации ДНК некоторыми природными полимеразами. Неестественная пара оснований не была удалена путями репарации ДНК, и бактерии, по-видимому, росли со скоростью, сравнимой с таковой без синтетической системы.

«Жизнь на Земле во всем ее многообразии кодируется всего двумя парами оснований ДНК, А-Т и Ц-Г, и мы создали организм, который стабильно содержит эти две плюс третью, неестественную пару оснований», — говорит Ромесберг. . «В принципе, мы могли бы кодировать новые белки, сделанные из новых, неприродных аминокислот, что дало бы нам больше возможностей, чем когда-либо, для адаптации белковых терапевтических и диагностических и лабораторных реагентов для выполнения желаемых функций».

— Харрисон Вейн, доктор философии.

Ссылки по теме

• Ученые перекодируют геном организма
• Генетический код
• Что такое ДНК?

Каталожные номера: Полусинтетический организм с расширенным генетическим алфавитом. Малышев Д.А., Дхами К., Лавернь Т., Чен Т., Дай Н., Фостер Дж.М., Корреа И.Р., Ромесберг Ф.Е. Природа . 15 мая 2014 г. PMID: 24805238.

Финансирование: Национальный институт общих медицинских наук NIH (NIGMS).

Свяжитесь с нами

• Свяжитесь с нами
• Твиттер
• Фейсбук
• Инстаграм
• Ютуб
• Flickr

Почему в генетическом алфавите четыре буквы?