«Апостериори»: Учёные смогли расширить генетический алфавит до восьми букв вместо привычных четырёх
Новости науки и технологий
Поддержите «Эхо», если вы не в России
Учёные показали, что РНК-полимераза кишечной палочки способна работать с искусственно расширенным генетическим алфавитом, состоящим не из четырёх, а из восьми букв. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Вся известная жизнь на Земле использует для хранения генетической информации четыре основных азотистых основания: аденин, тимин, гуанин и цитозин – A, T, G и C. В РНК вместо тимина используется близкий к нему урацил. Последовательность этих оснований в ДНК хранит генетическую информацию, которая затем может быть переписана в РНК и использована, например, для синтеза белков.
Однако известные природные основания – не единственные молекулы, которые теоретически могут выполнять эту функцию. На протяжении нескольких десятилетий исследователи разрабатывают искусственные основания, способные образовывать дополнительные пары. Одна из таких систем получила название Hachimoji – от японских слов, означающих «восемь букв». Помимо четырёх естественных оснований, она содержит четыре искусственных – P, Z, B и S. Они образуют две дополнительные пары P:Z и B:S.
Сам по себе восьмибуквенный генетический алфавит не новый. В 2019 году исследователи уже показали, что молекулы ДНК и РНК с такими основаниями способны хранить информацию и сохранять структуру, необходимую для работы генетической системы. Кроме того, отдельные искусственные пары удавалось копировать с помощью ДНК-полимераз и транскрибировать с помощью относительно простой РНК-полимеразы бактериофага T7. Но оставался вопрос, сможет ли с ними работать более сложная РНК-полимераза, которая обеспечивает транскрипцию в клетках.
В новой работе исследователи использовали РНК-полимеразу бактерии Escherichia coli. Учёные создали фрагменты ДНК, содержащие искусственные основания, и проверили, сможет ли фермент подобрать к ним соответствующие нуклеотиды при синтезе РНК.
Оказалось, что полимераза способна работать со всеми восемью буквами. Искусственные P и Z, а также B и S преимущественно соединялись именно со своими партнёрами. После прохождения искусственного участка РНК-полимераза также могла продолжать синтез длинной молекулы РНК без заметной остановки.
Чтобы понять, почему это вообще возможно, исследователи изучили работу фермента с помощью криоэлектронной микроскопии. Им удалось получить структуры комплексов с разрешением от 2,42 до 2,75 ангстрема. Оказалось, что искусственные пары располагаются в активном центре фермента практически так же, как естественные. Несмотря на другой химический состав, они сохраняют характерную геометрию пар Уотсона – Крика. Поэтому механизм, с помощью которого полимераза проверяет подходящий нуклеотид, продолжает работать и с дополнительными буквами.
Однако система пока работает не идеально. Особенно заметная проблема связана с искусственным основанием Z. Иногда вместо его правильного партнёра P полимераза ошибочно использовала естественный гуанин. Причина оказалась связана не столько с самой полимеразой, сколько с химическими свойствами Z. При близкой к физиологической кислотности это основание может потерять протон и перейти в состояние, в котором расположение участков, образующих водородные связи, позволяет ему соединяться с гуанином.
Поэтому исследователи испытали модифицированную версию основания – Z*. В ней нитрогруппу заменили на карбоксамидную группу, что значительно уменьшило вероятность потери протона. В экспериментах это действительно позволило существенно сократить число ошибочных соединений с гуанином.
При этом выяснилось, что нитрогруппа исходного Z обладает ещё одним неожиданным свойством. Она участвует в опосредованном молекулой воды взаимодействии с РНК-полимеразой, которое помогает ферменту принимать конфигурацию, необходимую для присоединения следующего нуклеотида. Поэтому химические изменения искусственных букв могут влиять не только на точность их распознавания, но и на динамику работы полимеразы. В перспективе это может позволить целенаправленно проектировать искусственные основания с заданными свойствами.
Пока что эксперименты проводились вне живых клеток, а полноценная трансляция восьмибуквенной РНК в белок ещё не продемонстрирована. Тем не менее исследователи показали один из необходимых для этого этапов: сложная клеточная РНК-полимераза способна переписывать информацию из восьмибуквенной ДНК в восьмибуквенную РНК. В дальнейшем расширенный алфавит потенциально можно использовать не только для кодирования белков, но и для создания искусственных функциональных молекул РНК с химическими свойствами, недоступными обычному четырёхбуквенному алфавиту.