ДНК с искусственными нуклеотидными основаниями заставили работать

В 2014 году группа генетиков под руководством Флойда Ромесберга (Floyd E. Romesberg) вывела штамм бактерий E. coli, в которых несколько кодонов содержали пары искусственных нуклеотидных оснований dNaM–dTPT3 (X-Y). Во всех живых организмах на Земле для кодирования генетической информации используется две таких пары: аденин-тимин (A — T) и гуанин-цитозин (G — C). Бактерии с ДНК, состоящей из шести нуклеотидных оснований вместо четырех, оказались жизнеспособными, а модифицированная ДНК реплицировалась (удваивалась во время деления клетки).

Стоит отметить, что речь идет не о хромосомной ДНК, а о маленьких фрагментах ДНК плазмид, которые реплицируются автономно. Однако кодоны, содержащие искусственные нуклеотиды, не считывались на РНК, а продукты их транскрипции не участвовали в синтезе белков на рибосомах. Кроме того, чтобы обеспечить материал для удвоения ДНК, ученые добавляли X и Y в жидкость, где жили бактерии; трансмембранный транспорт осуществляли одноклеточные водоросли Phaeodactylum tricornutum.

В этом году группа Ромесберга опубликовала в Nature статью, в которой описывается процесс считывания информации с участков с искусственными нуклеотидами, и белки, синтезированные на основе синтетических фрагментов генома. Ученые вводили пару dNaM–dTPT3 в гены плазмид, кодирующие зеленые флуоресцентные белки, а также другие гены, без которых трансляция кодонов с искусственными нуклеотидными основаниями была бы невозможна.

Экспрессия ДНК — последовательный процесс. Сначала на основе ДНК синтезируется длинная молекула матричной РНК (мРНК); потом с нее на рибосоме считывается последовательность аминокислот, составляющих белок. мРНК состоит из триплетов нуклеотидов — кодонов, которые узнает маленькая транспортная РНК (тРНК). Она подводит к месту синтеза белка аминокислоту. Каждой аминокислоте соответствует своя тРНК. В составе тРНК имеется антикодон, который соответствует кодону мРНК. Чтобы тРНК смогла транспортировать аминокислоту, нужен фермент — аминоацил-тРНК-синтетаза, также индивидуальная для каждой аминокислоты. Таким образом, для синтеза белка нужно три группы веществ: матричная РНК, транспортная РНК с соответствующими аминокислотами, и ферменты.

Анализ полученных от ГМ-бактерий зеленых флуоресцентных белков подтвердил наличие в них нестандартных (неканонических) аминокислот. Неканонические аминокислоты входят в состав некоторых естественных белков, обнаруженных во всех живых организмах, но не входят в число двадцати протеиногенных α-аминокислот, которые кодируются кодируются непосредственно триплетными кодонами ДНК. Таких кислот известно три вида; селеноцистеин, пирролизин и N-формилметионин.

В бактерии ввели плазмиды, кодирующие зеленый флуоресцентный белок и ген тРНК серина serT. Кодон гена TAC, кодирующего белок, заменили на AXC, а в гене, кодирующем тРНК серина, последовательность заменили на GYT.

Клетки с модифицированным кодоном в гене белка, но без модифицированного кодона в гене фермента, почти не давали зеленого свечения — не хватало тРНК для синтеза светящегося белка; кроме того, эти клетки хуже росли. А клетки, где модифицированы были оба гена, светились так же ярко, как клетки, несущие только обычный ген зеленого белка.

Затем ученые ввели в белок, закодированный отчасти искусственными нуклеотидными основаниями, неканоническую аминокислоту пирролизин; для этого в ДНК плазмид добавили гены тРНК и аминоацил-тРНК-синтетазы этой аминокислоты из другого вида бактерий. Пирролизин обнаружился в составе белка, который вырабатывали модифицированные бактерии.

Эксперименты Ромесберга и его коллег показывают возможности современной генной инженерии и имеют скорее фундаментальное значение, чем практическое. Однако чем богаче и эффективнее инструментарий генетиков, тем ближе эпоха направленной биоинженерии. Уже сейчас генномодифицированные бактерии — основа фармацевтической промышленности; изменения, внесенные человеком в их геном, заставляют организмы одноклеточных вырабатывать нужные людям вещества.