Пробив: Изкуствена ДНК отваря вратата към дизайнерските протеини
Изследователите са употребявали система за синтезирана ДНК, която се споделя AEGIS, с цел да основат два изкуствени нуклеотида, които безупречно имитират геометрията на естествените нуклеотиди.
ДНК – молекулата, в която се съхранява генетичната информация на всички живи същества, е формирана единствено от четири химични единици, или нуклеотиди. Но какво би станало, в случай че можехме да прибавим още „ букви към тази писменост “ и да създадем нови типове ДНК?
Точно това направи екип от откриватели от Калифорнийския университет в Сан Диего, Фондацията за приложна молекулярна еволюция и Института за биологични проучвания Salk. Те са създали нова версия на ДНК с шест нуклеотида вместо с четири и демонстрираха, че тя може да се употребява за основаване на протеини – градивните детайли на живота.
Това достижение, оповестено в Nature Communications, отваря порти към едно бъдеще, в което проектираните по поръчка протеини и да станат действителност едни изцяло нови биологични решения, непознати към сегашен ден.
Четирите нуклеотида
ДНК, която е основата на живота, кодира своите данни благодарение на единствено четири нуклеотида – аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и цитозин (С). Тези нуклеотиди се сдвояват в характерни конфигурации, като образуват емблематичната двойна серпантина. Но какво би станало, в случай че тази „ писменост “ би могла да се разшири? Последиците са безапелационни и варират от персонализирана медицина до революционни материали.
„ Животът на Земята е необикновено разнороден единствено с четири нуклеотида, тъй че представете си какво бихме могли да създадем с повече “, споделя доктор Донг Уанг, професор в Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences в Калифорнийския университет в Сан Диего и основен създател на проучването.
„ Чрез разширение на генетичния код бихме могли да създадем нови невиждани до момента молекули и да проучим нови способи за основаване на дизайнерски протеини като лечебни средства “.
Уанг и сътрудниците му употребяват синтетичната ДНК система с име AEGIS, което значи Artificially Expanded Genetic Information System (изкуствено разширена генетична осведомителна система). AEGIS е основана от доктор Стивън А. Бенър от Фондацията за приложна молекулярна еволюция като част от финансиран от НАСА план, който изследва по какъв начин би могъл да еволюира животът на другите планети.
Д-р Донг Уанг успешно разказва, че прибавянето на нови „ букви “ към генетичния код уголемява речника на живота, като ни разрешава да пишем по-сложни разкази. “ Пробивът на неговия екип демонстрира, че клетките могат елементарно да включват синтетични нуклеотиди в рецептата на ДНК.
Използването на AEGIS
AEGIS прибавя две нови букви към общоприетата писменост на ДНК, която се състои от аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и (C) цитозин. Тези букви се свързват по характерен метод, с цел да образуват двойната серпантина на ДНК, която е открита от Джеймс Уотсън и Франсис Крик през 1953 година
Новите букви – Z и P – имат същата форма и размер като естествените – естествените, тъй че могат да се впишат в спиралата на ДНК, без да нарушават нейната геометрия. Това значи, че ензимите, които четат и копират ДНК, като да вземем за пример РНК полимеразата, могат да разпознават и обработват ДНК на AEGIS тъкмо както естествената ДНК.
РНК полимеразата
Ключът се крие в имитирането на естествените механизми. Изследователите откриха РНК полимеразата – основен ензим, който трансформира ДНК в РНК, която по-късно се употребява за основаване на протеини. Те основават два изкуствени нуклеотида, които безупречно имитират геометрията на естествените нуклеотиди. РНК полимеразата с подготвеност приема тези нови добавки при тестване, като безпроблемно ги включва в транскрипцията.
Изследователите ревизираха дали РНК полимеразата от бактерии може да транскрибира AEGIS ДНК в РНК и откриха, че тя може да го направи с висока акуратност и успеваемост.
„ Това е забележителна проява на това какъв брой постоянен и адаптивен е биологичният механизъм “, споделя Уанг. „ Като имитират естествената форма на ДНК, нашите синтетични спомагателни букви могат да се вметнат и да бъдат употребявани за основаването на нови протеини “.
Този пробив проправя пътя към вълнуващи и невероятни благоприятни условия. Представете си проектирането на протеини с самостоятелни свойства, способни да се насочват тъкмо към туморите за терапия на рака или да се проектират бактерии за синтезиране на екологично чисти биогорива. Разкриват се необятни хоризонти, които се простират оттатък медицината и екологичните приложения до материалознанието и евентуално даже до синтетичната биология.
Разбира се, съществуват и провокации. Оптимизирането на включването на новите нуклеотиди, обезпечаването на тяхната непоклатимост в генома и разшифроването на цялостния капацитет на този уголемен код са области, които би трябвало да бъдат в допълнение проучени. И въпреки всичко това към този момент е фундамента за пренаписване на генетичния лексикон.
Това изобретение значи забележителен скок в разбирането ни за виталния проект по принцип. То дава обещание да сложи началото на нова епоха на биологичния дизайн, в която опциите са лимитирани единствено от нашето въображение.
„ Тези нови протеини биха могли да намерят приложение в медицината, биотехнологиите и биоинженерството “, споделя Уанг. „ Ние единствено одраскахме повърхността на това, което можем да създадем с изкуствената ДНК “.
Резюме на проучването:
Изкуствено разширените генетични осведомителни системи (AEGIS) прибавят без значение възпроизвеждащи се неестествени нуклеотидни двойки към естествените двойки G:C и A:T/U, открити в естествената ДНК, като свързват неестествените двойки посредством различни способи на водородно свързване. Все още не е известно дали и по какъв начин AEGIS двойките се разпознават и обработват от многокомпонентните клетъчни РНК полимерази (RNAP). Тук се демонстрира, че RNAP на E. coli селективно разпознава неестествени нуклеобази в шестбуквена разширена генетична система
