У всього живого на Землі - від бактерій до людини - однакові нуклеотиди в ДНК. Точніше, вони були такими - до минулого року, коли вчені зробили науковий прорив і змогли додати в генетичний алфавіт дві нові літери.
Протягом всієї людської історії люди, ще нічого не знаючи про ДНК і механізмах спадковості, міняли гени культурних рослин і домашніх тварин, піддаючи їх дії штучного відбору, селекції. У 1973 році був отриманий перший трансгенний організм: вчені навчилися безпосередньо переносити генетичну інформацію з одного організму в інший. Герберт Бойєр з Каліфорнійського університету в Сан-Франциско і Стенлі Коен зі Стенфорда створили кишкову паличку з геном стійкості до певного антибіотика. Але отримані в ході експериментів з генної інженерії форми життя нічим принципово не відрізнялися від тих, які і так існують в природі. Все той же генетичний код і все той же «алфавіт» в молекулі ДНК, просто інша послідовність «букв».
+1 (амінокислота)
У 2001 році в лабораторії Пітера Шульца була отримана бактерія, яка вміє використовувати нову амінокислоту - L-метоксітірозін, яку не використовує жоден живий організм в природі. Таким чином, ця бактерія мала новий генетичний код. Але і тут алфавіт ДНК як і раніше не змінювався.
Професор Флойд Ромсберг, керівник лабораторії хімічної біології і біофізики відділення хімії Інституту Скріппса в Ла-Хойя (Каліфорнія): «Розширення генетичного коду може мати безліч цікавих застосувань, починаючи від нових ліків до нових галузей нанотехнології. В принципі, ми могли б закодувати нові білки, зроблені з нових, що не існують в природі амінокислот. Це надає набагато ширші можливості в створенні білків з потрібними властивостями для використання в хімії, медицині та діагностиці. Крім того, можливі й інші застосування, такі як створення наноматеріалів ».
У 2008 році група вчених під керівництвом Крейга Вентера створила синтетичну молекулу ДНК. Вони використовували хімічний синтез ДНК «з нуля», після чого синтезовану ДНК вставили в модельну бактерію. Отримана бактерія успішно жила і розмножувалася, а також перебудувалася відповідно до нових генетичними інструкціями. Але хоча це був важливий технологічний прорив, штучна ДНК нічим не відрізнялася від звичайної. Хіба що в її некодирующей частини були записані імена авторів дослідження і цитати знаменитих вчених.
+2 (літери)
У 2014 році в журналі Nature вийшла робота групи вчених під керівництвом Флойда Ромсберга з Інституту Скріппса в Ла-Хойя (Каліфорнія), яку два найвідоміших наукових журнали - Nature і Science - визнали науковим досягненням року. Вчені вперше на практиці показали, що навіть генетичний алфавіт, який вважався фундаментальним і універсальним властивістю життя, можна змінити: вони створили молекулу ДНК, що складається не з чотирьох типів нуклеотидів. Крім звичайних пар А-Т і G-С, в новій ДНК є ще одна пара d5SICS-dNaM.
Втім, кишкова паличка, в яку ввели таку ДНК, не вміє сама виробляти нові типи нуклеотидів, і її доводиться «підгодовувати», додаючи їх у живильне середовище. Проте ДНК з новими нуклеотидами може передаватися з покоління в покоління, хоча поки що вона «неодружена» (з неї не зчитується РНК, і вона не кодує ніяких білків) - але ж це тільки початок.
Дві нові літери В основі передачі спадкової інформації у будь-яких живих організмів, будь то люди, мурахи, рослини, гриби або бактерії, лежить дволанцюжкова молекула ДНК. Кожен ланцюжок представляє собою полімер з чотирьох типів мономерів: нуклеотидів аденіну (A), тиміну (T), цитозину і гуаніну (G). У подвійній спіралі нуклеотид А завжди стоїть навпроти Т, а G навпаки C (це властивість називається комплементарностью). Завдяки цьому молекула ДНК може розмножуватися: подвійна спіраль розплітається на дві одинарні, і до кожної добудовується ще одна, нуклеотид за нуклеотидом - відповідно до вищезазначеного дзеркальним принципом. В результаті ми отримуємо дві однакові дволанцюжкові молекули ДНК. У «розширеному варіанті» алфавіту ДНК нуклеотидів не дві пари, а три.
+152 (амінокислоти)
Три нуклеотиду і чотири букви алфавіту ДНК дозволяють отримати 64 кодони (трійки нуклеотидів, які кодують амінокислоти) - потенційно 64 амінокислоти. Але на практиці генетичний код «вироджений»: одна і та ж амінокислота кодується декількома різними кодонами, тому в стандартному генетичному коді всього 20 амінокислот. Шість букв алфавіту ДНК дають 216 кодонів (з урахуванням вирожденність - 172 амінокислоти). Навіщо нам стільки? Відповідь проста. Якщо ми припишемо кодону нову амінокислоту, то ми змінимо відразу безліч білків, і звичайний організм може не пережити подібного втручання в свій генетичний апарат. Якщо ж ми візьмемо один ген і вставимо в нього нову нуклеотидную пару, то отримаємо унікальний кодон, що кодує свою унікальну амінокислоту, а всі інші гени це не торкнеться. Така схема дає принципово нові можливості для генної інженерії та створення найширшого розмаїття нових білків з новим амінокислотним складом.
Автор - науковий співробітник сектора молекулярної еволюції Інституту проблем передачі інформації РАН
Стаття «Нова абетка життя» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №2, Березень 2015 ).
Навіщо нам стільки?