Ученые создали полусинтетическую кишечную палочку

С тех пор, как ученые расшифровали структуру ДНК - носителя наследственной информации во всех живых организмах - прошло более 60 лет. Исследователи, в частности, выяснили, что с химической точки зрения ДНК является полимером, макромолекула которого состоит из повторяющихся звеньев - нуклеотидов, что каждый нуклеотид представляет собой комбинацию из азотистого основания, сахара-дезоксирибозы и фосфатной группы, и что в молекуле ДНК встречаются лишь четыре вида азотистых оснований - аденин, гуанин, тимин и цитозин.

Они обозначаются буквами А, Г, Т и Ц, которые принято именовать генетическим алфавитом, ведь именно последовательность азотистых оснований в молекуле ДНК и является тем кодом, что обеспечивает хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию программы развития и функционирования всех живых организмов. В популярной литературе утвердился своего рода образ-штамп: алфавитом, состоящим из четырех букв А, Г, Т, и Ц, написана книга жизни.

Ученым четырех букв генетического алфавита недостаточно

Однако в последние годы исследователи, работающие в сфере так называемой синтетической биологии, почувствовали, что столь скудного алфавита им для реализации некоторых интересных идей уже не хватает. А потому взялись за создание искусственных, не существующих в природе нуклеотидных оснований. Теперь американским ученым удалось внедрить их в геном живой бактерии - кишечной палочки Escherichia coli. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.

Тут важно иметь в виду, что молекула ДНК практически всегда состоит из двух цепочек (двойная спираль) и что азотистые основания одной цепочки соединены водородными связями с азотистыми основаниями другой цепочки, причем аденин образует пары только с тимином, а гуанин - только с цитозином. Теперь американские генетики обогатили геном энтеробактерии парой искусственных нуклеотидных оснований. Обозначения этих субстанций больше напоминают компьютерные пароли доступа повышенной надежности, чем пригодные в практике названия: одно вещество именуется d5SICSTP, другое dNaMTP. Но сами разработчики предпочитают называть их для простоты соответственно X и Y.

Природные нуклеотиды гидрофильны, искусственные - гидрофобны

Оба искусственных азотистых основания ученые синтезировали так, чтобы они по своим химическим свойствам существенно отличались от природных. Руководитель проекта Флойд Роумсберг (Floyd Romesberg), профессор химии в Исследовательском институте Скриппса в Ла-Холья, штат Калифорния, говорит: "Природные пары азотистых оснований характеризуются чрезвычайно высокой гидрофильностью, они образуют между собой водородные связи. Мы же хотели, чтобы наши искусственные основания с ними не смешивались - как жир и вода, - поэтому изначально конструировали их так, чтобы они были гидрофобными".

На поиск подходящих субстанций у профессора Роумсберга и его коллег ушло более десяти лет. С одной стороны, это должны были быть вещества, вообще не встречающиеся в природе. С другой стороны, имеющаяся в любой живой клетке ферментная система репарации, исправляющая повреждения ДНК, должна была не замечать данную аномалию, не воспринимать эти искусственные субстанции как чужеродные и подлежащие удалению. Все клеточные механизмы должны были работать как обычно, обрабатывать наследственную информацию так же, как если бы она была записана алфавитом из стандартных четырех букв, а не из шести. И в процессе деления клетки репликация этой необычной молекулы ДНК должна была, как положено, приводить к образованию двух дочерних копий, идентичных исходной родительской.

Многое пока неясно, но перспективы интересные

"Мы уже много лет занимаемся созданием неприродных нуклеотидов, - поясняет профессор Роумсберг. - Мы испробовали более 300 вариантов. Однако лишь теперь мы подобрали, наконец, такую пару нуклеотидных оснований, которую удалось интегрировать в живую бактерию. И добиться нормальной репликации этой необычной ДНК".

Пока, правда, неясно, выживет ли бактерия, если в ее геном внедрить не одну пару оснований X-Y, а множество таких пар. Неясно также, долго ли проживет такая полусинтетическая кишечная палочка и долго ли в ней будут сохраняться чужеродные буквы генетического алфавита. По крайней мере, в журнале Nature речь идет лишь о 24 репликациях в течение 15 часов. А самое главное, неясно, способны ли искусственные нуклеотиды участвовать в производстве белков.

Но профессор Роумсберг надеется, что генетический код из шести вместо четырех букв позволит придать бактерии целый ряд полезных биохимических свойств, которых она изначально не имела: "Если вы расширите генетический код за счет неприродных нуклеотидов, кодирующих дополнительные аминокислоты, то это даст возможность получать новые белки с необычными свойствами. Например, так можно производить лучшие лекарства - и быстрее".

Безопасность гарантированая самой природой

Никакой опасности для окружающей среды такие бактерии не представляют, подчеркивает ученый. Напротив, они гораздо легче поддаются контролю, чем генетически модифицированные микроорганизмы, полученные методами традиционной генной инженерии. "Мы должны снабжать наши бактерии неприродными компонентами ДНК, - поясняет профессор Роумсберг. - Бактерии не могут синтезировать эти нуклеотиды самостоятельно, нам приходится их кормить. С этой целью мы добавляем вещества Х и Y в питательную среду, а в геном кишечной палочки мы внедрили растительный ген, который придает водоросли - а теперь и нашей бактерии - способность поглощать нуклеотиды из окружающей среды. Если же прекратить подкормку бактерий искусственными нуклеотидами, все неприродное из ДНК кишечной палочки быстро исчезнет".

Значит, если даже такой полусинтетический микроорганизм ускользнет из лаборатории, выжить ему не суждено. Или же он откажется от неприродных компонентов в своем геноме и превратится в самую обычную бактерию, какой и был изначально.