Ксено-нуклеиновые кислоты - cинтетические конкуренты ДНК

На прошедшей в Лондоне 6-й международной конференции по синтетической биологии подавляющее большинство докладов и сообщений были посвящены тем или иным модификациям молекулы ДНК. Что вполне естественно: ведь главная задача этого совсем еще молодого направления генной инженерии состоит в проектировании и создании новых, не встречающихся в живой природе биологических систем, а молекулы ДНК являются, как известно, носителями наследственной информации, основой всей жизни на Земле. Поэтому внимание ученых, работающих в области синтетической биологии, приковано к ДНК. Именно на ее основе они конструируют новые гены.

Пока, правда, исследователи заняты, в основном, тем, что придают новые или изменяют имеющиеся функции организмов, давно существующих в природе и развившихся естественным путем, однако в будущем они намерены синтезировать и невиданные прежде искусственные организмы, способные к самостоятельной жизнедеятельности, включая воспроизводство, и обладающие строго определенными, заранее заданными свойствами. В процессе создания таких программируемых организмов наука должна прийти к более глубокому пониманию феномена биологической жизни как таковой: ведь сегодня ученые лишь разбирают живой организм на составные части, а впредь начнут собирать их из атомов и молекул.

Впрочем, уже, можно сказать, начали: в 2010 году знаменитому американскому генетику Крейгу Вентеру (Craig Venter) и его коллегам удалось создать первую в мире искусственно синтезированную бактерию.

Британцы пошли другим путем

Так вот, хотя основные доклады на лондонской конференции касались ДНК, ничуть не меньший интерес вызвало сообщение группы британских исследователей, пошедших другим путем. Они синтезировали иные носители наследственной информации, отличные от молекул ДНК, хотя и похожие на них.

Собственно, молекула ДНК послужила разработчикам основой. Руководитель группы - Филипп Холлигер (Philipp Holliger), научный сотрудник Лаборатории синтетической биологии в Кембридже, говорит: "Мы создали несколько аналогов ДНК и назвали их ксено-нуклеиновыми кислотами - от греческого слова "ксенос", то есть чужой, чуждый, инородный. Мы модифицировали, так сказать, остов нормальной молекулы ДНК. Она, как известно, имеет структуру двойной спирали. Если представить себе эту двойную спираль в виде закрученной лестницы, то мы изменили не поперечные перекладины, не соединенные попарно водородными связями азотистые основания, а продольные опоры между ними. Там расположены сахара, которые вместе с фосфатами образуют остов молекулы, связывают нуклеотиды внутри каждой цепи".

Азотистые основания - те же, сахара - другие

Таким образом, все четыре азотистых основания, присущих ДНК - аденин, гуанин, тимин и цитозин, - сохранились неизменными. А вот вместо типичной для ДНК дезоксирибозы британские исследователи встроили в молекулы своих ксено-нуклеиновых кислот другие сахара - в частности, арабинозу и циклогексенил.

С химической точки зрения это было относительно несложно. Но носитель наследственной информации способен выполнять эту свою функцию только в том случае, если он поддается прочтению и копированию. Поскольку же природные ферменты могут выполнять эти операции лишь применительно к молекулам ДНК, Филиппу Холлигеру и его коллегам пришлось синтезировать и соответствующие искусственные ферменты. Ученый говорит: "Нам нужен был один фермент, способный считывать молекулу ксено-нуклеиновой кислоты, и другой фермент, способный ее воспроизводить. Такое преобразование должно было работать в обе стороны: от ДНК к ксено-НК и от ксено-НК к ДНК".

Ксено-нуклеиновые кислоты могут заинтересовать медиков

Все исследования в сфере синтетической биологии относятся пока к разряду фундаментальных исследований, но некоторые варианты практического применения молекул ксено-нуклеиновых кислот просматриваются уже сейчас. Пусть их производство обходится намного дороже, чем производство ДНК, зато эти альтернативные носители информации гораздо прочнее и, судя по всему, могут сохраняться в неизменном виде тысячелетиями. Ведь в природе просто не существует ферментов, способных их расщепить.

Причем такую прочность эти молекулы демонстрируют не только в стерильной лабораторной посуде, но и в живых организмах, в теле животных и человека, что делает их чрезвычайно интересными для медиков. Филипп Холлигер говорит: "Некоторые из ксено-нуклеиновых кислот настолько чужеродны для организма человека, что они в нем либо вообще не расщепляются, либо расщепляются чрезвычайно медленно. Поэтому любые искусственно синтезированные биологически активные вещества на основе таких кислот могут сохраняться в организме гораздо дольше, чем природные субстанции. Это открывает интересные перспективы в деле создания новых биомолекулярных лекарственных препаратов".

Внеземные цифилизации могут изрядно удивить человечество

Впрочем, по мнению ученого, его работа отвечает и на сугубо философский вопрос, касающийся зарождения и развития жизни на Земле: "Является ли ДНК той единственной молекулой, на основе которой могла возникнуть жизнь? Или это случайность? То есть просто в какой-то момент эволюция сделала свой выбор, и он стал окончательным? Похоже, что это именно так. Жизнь в той форме, какую мы знаем, базируется на ДНК, но если мы ищем внеземные цивилизации, то должны ясно понимать, что они могут быть основаны на иных носителях наследственной информации. Это могут быть нуклеиновые кислоты вроде тех, что мы создали искусственно, а, может, и нечто более экзотическое и чужеродное".