Пробив: Изкуствена ДНК отваря вратата към дизайнерските протеини

Изследователите са използвали система за синтезирана ДНК, която се казва AEGIS, за да създадат два изкуствени нуклеотида, които безупречно имитират геометрията на естествените нуклеотиди.

ДНК – молекулата, в която се съхранява генетичната информация на всички живи същества, е съставена само от четири химични единици, или нуклеотиди. Но какво би станало, ако можехме да добавим още „букви към тази азбука“ и да създадем нови видове ДНК?

Точно това направи екип от изследователи от Калифорнийския университет в Сан Диего, Фондацията за приложна молекулярна еволюция и Института за биологични изследвания Salk. Те са разработили нова версия на ДНК с шест нуклеотида вместо с четири и показаха, че тя може да се използва за създаване на протеини – градивните елементи на живота.

Това постижение, публикувано в Nature Communications, отваря врати към едно бъдеще, в което проектираните по поръчка протеини и да станат реалност едни напълно нови биологични решения, непознати към днешен ден.

Четирите нуклеотида

ДНК, която е основата на живота, кодира своите данни с помощта на само четири нуклеотида – аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и цитозин (С). Тези нуклеотиди се сдвояват в специфични конфигурации, като образуват емблематичната двойна спирала. Но какво би станало, ако тази „азбука“ би могла да се разшири? Последиците са убедителни и варират от персонализирана медицина до революционни материали.

„Животът на Земята е невероятно разнообразен само с четири нуклеотида, така че представете си какво бихме могли да направим с повече“, казва д-р Донг Уанг, професор в Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences в Калифорнийския университет в Сан Диего и главен автор на изследването.

„Чрез разширяване на генетичния код бихме могли да създадем нови невиждани досега молекули и да проучим нови начини за създаване на дизайнерски протеини като терапевтични средства“.

Уанг и колегите му използват синтетичната ДНК система с име AEGIS, което означава Artificially Expanded Genetic Information System (изкуствено разширена генетична информационна система). AEGIS е създадена от д-р Стивън А. Бенър от Фондацията за приложна молекулярна еволюция като част от финансиран от НАСА проект, който изследва как би могъл да еволюира животът на другите планети.

Д-р Донг Уанг сполучливо описва, че добавянето на нови „букви“ към генетичния код разширява речника на живота, като ни позволява да пишем по-сложни разкази.“ Пробивът на неговия екип показва, че клетките могат лесно да включват синтетични нуклеотиди в рецептата на ДНК.

Използването на AEGIS

AEGIS добавя две нови букви към стандартната азбука на ДНК, която се състои от аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и (C) цитозин. Тези букви се свързват по специфичен начин, за да образуват двойната спирала на ДНК, която е открита от Джеймс Уотсън и Франсис Крик през 1953 г.

Новите букви – Z и P – имат същата форма и размер като естествените – природните, така че могат да се впишат в спиралата на ДНК, без да нарушават нейната геометрия. Това означава, че ензимите, които четат и копират ДНК, като например РНК полимеразата, могат да разпознават и обработват ДНК на AEGIS точно както естествената ДНК.

РНК полимеразата

Ключът се крие в имитирането на природните механизми. Изследователите откриха РНК полимеразата – ключов ензим, който превръща ДНК в РНК, която след това се използва за създаване на протеини. Те създават два изкуствени нуклеотида, които безупречно имитират геометрията на естествените нуклеотиди. РНК полимеразата с готовност приема тези нови добавки при тестване, като безпроблемно ги включва в транскрипцията.

Изследователите провериха дали РНК полимеразата от бактерии може да транскрибира AEGIS ДНК в РНК и установиха, че тя може да го направи с висока точност и ефективност.

„Това е забележителна демонстрация на това колко стабилен и адаптивен е биологичният механизъм“, казва Уанг. „Като имитират естествената форма на ДНК, нашите синтетични допълнителни букви могат да се вмъкнат и да бъдат използвани за създаването на нови протеини“.

Този пробив проправя пътя към вълнуващи и невероятни възможности. Представете си проектирането на протеини с индивидуални свойства, способни да се насочват точно към туморите за терапия на рака или да се проектират бактерии за синтезиране на екологично чисти биогорива. Разкриват се необятни хоризонти, които се простират отвъд медицината и екологичните приложения до материалознанието и потенциално дори до синтетичната биология.

Разбира се, съществуват и предизвикателства. Оптимизирането на включването на новите нуклеотиди, осигуряването на тяхната стабилност в генома и разшифроването на пълния потенциал на този разширен код са области, които трябва да бъдат допълнително проучени. И все пак това вече е фундамента за пренаписване на генетичния лексикон.

Това откритие означава значителен скок в разбирането ни за жизнения план по принцип. То обещава да постави началото на нова ера на биологичния дизайн, в която възможностите са ограничени само от нашето въображение.

„Тези нови протеини биха могли да намерят приложение в медицината, биотехнологиите и биоинженерството“, казва Уанг. „Ние само одраскахме повърхността на това, което можем да направим с изкуствената ДНК“.

Резюме на изследването:

Изкуствено разширените генетични информационни системи (AEGIS) добавят независимо възпроизвеждащи се неестествени нуклеотидни двойки към естествените двойки G:C и A:T/U, открити в естествената ДНК, като свързват неестествените двойки чрез алтернативни начини на водородно свързване. Все още не е известно дали и как AEGIS двойките се разпознават и обработват от многокомпонентните клетъчни РНК полимерази (RNAP). Тук се показва, че RNAP на E. coli селективно разпознава неестествени нуклеобази в шестбуквена разширена генетична система