Учени от Изследователския институт на Скрипс (TSRI) са проектирали бактерия, чийто генетичен материал включва добавена двойка ДНК „букви“ или основи, които не се срещат в природата. Клетките на тази уникална бактерия могат да възпроизвеждат неестествените бази на ДНК повече или по-малко нормално, докато се доставят молекулярните градивни елементи.

организъм

„Животът на Земята в цялото му разнообразие е кодиран само от две двойки ДНК основи, AT и CG, а това, което сме създали, е организъм, който стабилно съдържа тези две плюс трета, неестествена двойка бази“, каза доц. TSRI Флойд Е. Ромесберг, който ръководеше изследователския екип. "Това показва, че са възможни други решения за съхраняване на информация и, разбира се, ни отвежда по-близо до биология с разширена ДНК, която ще има много вълнуващи приложения - от нови лекарства до нови видове нанотехнологии."

Докладът за постижението се появява на 7 май 2014 г. в предварителна онлайн публикация на списание Nature.

Много предизвикателства

Ромесберг и неговата лаборатория работят от края на 90-те години за намиране на двойки молекули, които биха могли да служат като нови, функционални ДНК бази - и по принцип биха могли да кодират белтъци и организми, които никога преди не са съществували.

Задачата не е проста. Всяка функционална нова двойка ДНК бази трябва да се свърже с афинитет, сравним с този на естествените нуклеозидни базови двойки аденин-тимин и цитозин-гуанин. Такива нови бази също би трябвало да се подредят стабилно до естествените бази в подобен на цип участък от ДНК. От тях ще се изисква да разархивират и повторно ципват гладко, когато работят върху естествени полимеразни ензими по време на репликация на ДНК и транскрипция в РНК. И по някакъв начин тези нуклеозидни интерлопери ще трябва да избягват да бъдат атакувани и отстранявани от естествени механизми за възстановяване на ДНК.

Въпреки тези предизвикателства, до 2008 г. Ромесберг и колегите му направиха голяма стъпка към тази цел; в проучване, публикувано същата година, те идентифицират набори от нуклеозидни молекули, които могат да се свържат с двойна верига на ДНК почти толкова плътно, колкото естествените базови двойки и показаха, че ДНК, съдържаща тези неестествени базови двойки, може да се репликира в присъствието на правилните ензими. В проучване, което излезе през следващата година, изследователите успяха да намерят ензими, които транскрибират тази полусинтетична ДНК в РНК.

Но тази работа беше проведена в опростената среда на епруветка. „Тези неестествени базови двойки са работили прекрасно in vitro, но голямото предизвикателство е да ги накараме да работят в много по-сложната среда на жива клетка“, каза Денис А. Малишев, член на лабораторията в Ромесберг, водещ автор на новият доклад.

Микроводораслите водят до пробив

В новото проучване екипът синтезира участък от кръгова ДНК, известна като плазмид, и я вкара в клетките на обикновената бактерия Е. coli. Плазмидната ДНК съдържа естествени двойки T-A и C-G основи, заедно с най-ефективната неестествена двойка основи, открити от лабораторията на Romesberg, две молекули, известни като d5SICS и dNaM. Целта беше да се накарат клетките на Е. coli да възпроизвеждат тази полусинтетична ДНК възможно най-нормално.

Най-голямото препятствие може да бъде успокояващо за тези, които се страхуват от неконтролираното освобождаване на нова форма на живот: молекулярните градивни елементи за d5SICS и dNaM не са естествено в клетките. По този начин, за да накарат Е. coli да възпроизведе ДНК, съдържаща тези неестествени основи, изследователите трябваше да доставят молекулярните градивни елементи изкуствено, като ги добавят към течния разтвор извън клетката. След това, за да влязат градивните елементи, известни като нуклеозидни трифосфати, в клетките, те трябваше да намерят специални молекули транспортьори на трифосфат, които да свършат работата.

В крайна сметка изследователите са успели да намерят трифосфатен транспортер, направен от вид микроводорасли, който е достатъчно добър за внос на неестествените трифосфати. "Това беше голям пробив за нас - благоприятен пробив", каза Малишев.

Въпреки че завършването на проекта отне още една година, не възникнаха големи пречки. Екипът установи, донякъде за тяхна изненада, че полусинтетичният плазмид, репликиран с разумна скорост и точност, не възпрепятства значително растежа на клетките на Е. coli и не показва признаци на загуба на неестествените си базови двойки от ДНК механизмите за възстановяване.

„Когато спряхме потока на неестествените трифосфатни градивни елементи в клетките, заместването на d5SICS-dNaM с двойки естествени основи беше много добре корелирано със самата клетъчна репликация - не изглеждаше да има други фактори, изрязващи неестествената основа двойки от ДНК ", каза Малишев. "Важно е да се отбележи, че тези два пробива осигуряват и контрол върху системата. Новите ни бази могат да влязат в клетката само ако включим протеина на" базовия транспортер ". Без този транспортер или когато не са осигурени нови бази, клетката ще се върне обратно към A, T, G, C и d5SICS и dNaM ще изчезнат от генома. "

Следващата стъпка ще бъде да се демонстрира вътреклетъчната транскрипция на новата ДНК с разширена азбука в РНК, която захранва белтъчната машина на клетките. „По принцип бихме могли да кодираме нови протеини, произведени от нови, неестествени аминокиселини - което ще ни даде по-голяма сила от всякога да приспособим протеиновата терапия и диагностика и лабораторните реагенти да имат желани функции“, каза Ромесберг. „Възможни са и други приложения, като наноматериали.“

Други сътрудници на статията „Полусинтетичен организъм с разширена генетична азбука“ са Кирандип Дами, Томас Лаверн и Тингджиян Чен от TSRI и Нан Дай, Джеръми М. Фостър и Иван Р. Корреа младши от New England Biolabs, Inc.