Белки и нуклеиновые кислоты — молекулы, лежащие в основе всех биологических процессов. Они сильно отличаются друг от друга по свойствам, и сочетать их вместе в одной молекуле-гибриде значит создать ценный инструмент для генетики и медицины. Обычно «гибриды ДНК с белком» получают путем трудоемкого органического синтеза, однако авторы новой статьи нашли способ намного проще, используя бактерии.
Пептидо-нуклеиновые кислоты (ПНК) — один из типов «гибридов» ДНК и белка / © nature.com, M. Verona et al., 2017
Вся молекулярная биология держится на трех «китах», то есть типах биомолекул: ДНК, РНК и белках. Каждый из них имеет свои важные особенности, которые иногда хотелось бы сочетать, однако гибриды на основе таких очень непохожих по структуре молекул в природе редки. Некоторые ученые считают, что полубелки-полунуклеотиды могли иметь значение на самых ранних этапах эволюции и при зарождении жизни, однако в современной клетке доказательств тому нет. В то же время подобные гибриды, например пептидо-нуклеиновые кислоты (ПНК), получают путем химического синтеза.
Важным шагом вперед стал результат, опубликованный в Nature Chemical Biology. Статья описывает новый класс молекул, сочетающих в себе компоненты нуклеиновых кислот и белков — пептидо-нуклеобазные гибриды (по-английски peptide-nucleobase hybrid). В его составе присутствует пиримидоновая структура, похожая на молекулу, из которой в клетке синтезируются основания ДНК и РНК.
Исходно ученые пытались просто найти новые белковые молекулы, способные связывать ионы металлов, используя для этого бактерии. Одна из полученных молекул имела целевые свойства, однако оказалась не белком, а гибридом двух типов биомолекул. Далее авторы выяснили молекулярные механизмы, которые привели к такой счастливой случайности. Оказалось, в синтезе гибрида задействованы рибосомы — «фабрики по производству белка», имеющиеся в любой клетке, — а также путь посттрансляционных модификаций белков RiPP. Он изменяет молекулу после ее создания на рибосоме благодаря специальным ферментам.
Синтез гибридов состоит из двух этапов: сначала комплекс фермента дегидрогеназы с белками RRE и YcaO катализирует превращение остатков аминокислоты аспарагина в составе исходного пептида в шестичленные кольца пиримидона (гетероциклическое соединение, остов которого состоит из атомов углерода и азота). Затем фермент ацилэстераза узнает определенную область на том конце пептида, который синтезируется последним, и разрезает ее. Исходное соединение этой реакции ускоряет ее ход: остатки аминокислоты гистидина помогают аспарагинам того же пептида превратиться в гетероциклы.
Все реакции осуществили в пробирке при помощи всего трех ингредиентов: исходного полипептида и двух ферментов. Затем те же превращения авторы провели в самой подробно изученной и легко культивируемой бактерии — кишечной палочке E. coli.
Получать такое сложное и необычное соединение с помощью метаболизма бактерий куда легче и дешевле, чем путем органического синтеза. Новый метод открывает возможность массового получения молекул-гибридов и их широкого применения на практике, в том числе в медицине. Это возможно благодаря тому, что они сочетают свойства ДНК или РНК (могут избирательно связывать конкретные участки нуклеиновых кислот) со специфической активностью белков. С помощью молекул-гибридов можно таргетированно действовать на молекулярные механизмы развития многих болезней.
