У всего живого на Земле — от бактерий до человека — одинаковые нуклеотиды в ДНК. Точнее, они были такими — до прошлого года, когда ученые совершили научный прорыв и смогли добавить в генетический алфавит две новые буквы.
Какие возможности дает изменение алфавита ДНК?

На протяжении всей человеческой истории люди, еще ничего не зная о ДНК и механизмах наследственности, меняли гены культурных растений и домашних животных, подвергая их действию искусственного отбора, селекции. В 1973 году был получен первый трансгенный организм: ученые научились напрямую переносить генетическую информацию из одного организма в другой. Герберт Бойер из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и Стэнли Коэн из Стэнфорда создали кишечную палочку с геном устойчивости к определенному антибиотику. Но полученные в ходе экспериментов по генной инженерии формы жизни ничем принципиально не отличались от тех, которые и так существуют в природе. Все тот же генетический код и все тот же «алфавит» в молекуле ДНК, просто другая последовательность «букв».

+1 (аминокислота)

В 2001 году в лаборатории Питера Шульца была получена бактерия, умеющая использовать новую аминокислоту — L-метокситирозин, которую не использует ни один живой организм в природе. Таким образом, эта бактерия имела новый генетический код. Но и здесь алфавит ДНК по‑прежнему не менялся.

В 2008 году группа ученых под руководством Крейга Вентера создала синтетическую молекулу ДНК. Они использовали химический синтез ДНК «с нуля», после чего синтезированную ДНК вставили в модельную бактерию. Полученная бактерия успешно жила и размножалась, а также перестроилась в соответствии с новыми генетическими инструкциями. Но хотя это был важный технологический прорыв, искусственная ДНК ничем не отличалась от обычной. Разве что в ее некодирующей части были записаны имена авторов исследования и цитаты знаменитых ученых.

+2 (буквы)

В 2014 году в журнале Nature вышла работа группы ученых под руководством Флойда Ромсберга из Института Скриппса в Ла-Хойе (Калифорния), которую два самых известных научных журнала — Nature и Science — признали научным достижением года. Ученые впервые на практике показали, что даже генетический алфавит, считавшийся фундаментальным и универсальным свойством жизни, можно изменить: они создали молекулу ДНК, состоящую не из четырех типов нуклеотидов. Помимо обычных пар А-Т и G-С, в новой ДНК есть еще одна пара d5SICS-dNaM.

Впрочем, кишечная палочка, в которую ввели такую ДНК, не умеет сама производить новые типы нуклеотидов, и ее приходится «подкармливать», добавляя их в питательную среду. Тем не менее ДНК с новыми нуклеотидами может передаваться из поколения в поколение, хотя пока что она «холостая» (с нее не считывается РНК, и она не кодирует никаких белков) — но ведь это только начало.

+152 (аминокислоты)

Три нуклеотида и четыре буквы алфавита ДНК позволяют получить 64 кодона (тройки нуклеотидов, кодирующие аминокислоты) — потенциально 64 аминокислоты. Но на практике генетический код «вырожденный»: одна и та же аминокислота кодируется несколькими разными кодонами, поэтому в стандартном генетическом коде всего 20 аминокислот. Шесть букв алфавита ДНК дают 216 кодонов (с учетом вырожденности — 172 аминокислоты). Зачем нам столько? Ответ прост. Если мы припишем кодону новую аминокислоту, то мы изменим сразу множество белков, и обычный организм может не пережить подобного вмешательства в свой генетический аппарат. Если же мы возьмем один ген и вставим в него новую нуклеотидную пару, то получим уникальный кодон, кодирующий свою уникальную аминокислоту, а все остальные гены это не затронет. Такая схема дает принципиально новые возможности для генной инженерии и создания широчайшего разнообразия новых белков с новым аминокислотным составом.

Фото Профессор Флойд Ромсберг, руководитель лаборатории химической биологии и биофизики отделения химии Института Скриппса в Ла-Хойе (Калифорния):

«Расширение генетического кода может иметь множество интересных применений, начиная от новых лекарств до новых отраслей нанотехнологии. В принципе, мы могли бы закодировать новые белки, сделанные из новых, не существующих в природе аминокислот. Это предоставляет гораздо более широкие возможности в создании белков с нужными свойствами для использования в химии, медицине и диагностике. Кроме того, возможны и другие применения, такие как создание наноматериалов».

Две новые буквы

Фото В основе передачи наследственной информации у любых живых организмов, будь то люди, муравьи, растения, грибы или бактерии, лежит двухцепочечная молекула ДНК. Каждая цепочка представляет собой полимер из четырех типов мономеров: нуклеотидов аденина (A), тимина (T), цитозина © и гуанина (G). В двойной спирали нуклеотид А всегда стоит напротив Т, а G напротив C (это свойство называется комплементарностью). Благодаря этому молекула ДНК может размножаться: двойная спираль расплетается на две одинарные, и к каждой достраивается еще одна, нуклеотид за нуклеотидом — в соответствии с вышеупомянутым зеркальным принципом. В результате мы получаем две одинаковые двухцепочечные молекулы ДНК. В «расширенном варианте» алфавита ДНК нуклеотидов не две пары, а три.

Автор — научный сотрудник сектора молекулярной эволюции Института проблем передачи информации РАН

Статья «Новая азбука жизни» опубликована в журнале «Популярная механика» (№2, Февраль 2015).