Аннотация:
В области синтетической биологии за последнее время достигнуты значительные успехи. Последние исследования научно-исследовательской группы из Калифорнийского университета в Сан-Диего, США, показывают, что основные ферменты, естественно встречающиеся в земных организмах, могут точно распознавать и транскрибировать расширенную версию генетического кода, состоящего из восьми химических букв.
Это открытие разрушает неотъемлемое понимание того, что жизнь в природе на протяжении миллиардов лет строилась всего лишь из четырех основ. Это доказывает, что существующий молекулярный механизм живых клеток полностью способен обрабатывать искусственно синтезированную генетическую информацию, закладывая ключевую молекулярную основу для будущего развития новой точной медицины, таргетных лекарств и инженерных биологических систем.
Генетическая информация всех известных форм жизни на Земле записана в системе кодирования ДНК, состоящей из четырех химических букв: аденина (А), тимина (Т), цитозина (Ц) и гуанина (G). Хотя ученые ранее синтезировали в лаборатории новые основания, которые можно интегрировать в структуру двойной спирали ДНК (например, систему «восьмисимвольной ДНК», содержащую четыре синтетических основания P, Z, B и S), возможность точного анализа этих неестественных букв с помощью механизма считывания внутри естественных клеток всегда была основным узким местом для практического применения синтетической биологии.
В последнем исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, исследовательская группа сосредоточилась на ключевом ферменте экспрессии генов — РНК-полимеразе (РНК-полимеразе). Исследователи использовали технологию криоэлектронной микроскопии (Cryo-EM), чтобы успешно получить динамический снимок трехмерной структуры РНК-полимеразы Escherichia coli (E. coli), когда она считывает и транскрибирует синтетические основания в масштабе высокого разрешения, меньшем, чем ширина одного атома. Экспериментальные данные показывают, что когда этот природный фермент обрабатывает синтетические пары оснований, его точность и эффективность транскрипции во многом сопоставимы с таковыми для природных пар оснований.
Структурный анализ также показал, что РНК-полимераза не отвергает эти синтетические буквы как «чужеродные объекты», но точно распознает их через структурные и химические сигнальные узлы, которые почти такие же, как те, которые используются для распознавания природных оснований. Кроме того, в другом дополнительном исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), исследовательская группа также обнаружила, что РНК-полимераза может точно распознавать и транскрибировать даже некоторые неестественные пары оснований, в которых отсутствуют традиционные силы водородных связей, что значительно расширяет возможности создания искусственных генетических алфавитов.
Расширение генетического алфавита с четырех до восьми означает геометрическое увеличение емкости хранения информации. 64 генетических кода, первоначально состоящих из трех буквенных комбинаций, будут стремительно расширяться, что позволит искусственно создавать и синтезировать новые аминокислоты и функциональные белки, которые не существуют в природе. Исследователи отметили, что эта технология ранее показывала уникальные преимущества в области молекулярной диагностики, таких как целевая идентификация раковых клеток печени, а на этот раз она победила механизм транскрипции природных ферментов, что полностью устранит технические препятствия на пути использования биореакторов клеток-хозяев для производства синтетических лекарств и современных биоматериалов.
Комментарии