Какие возможности дает изменение алфавита ДНК?
На протяжении всей человеческой истории люди, еще ничего не зная о ДНК и механизмах наследственности, меняли гены культурных растений и домашних животных, подвергая их действию искусственного отбора, селекции. В 1973 году был получен первый трансгенный организм: ученые научились напрямую переносить генетическую информацию из одного организма в другой. Герберт Бойер из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и Стэнли Коэн из Стэнфорда создали кишечную палочку с геном устойчивости к определенному антибиотику. Но полученные в ходе экспериментов по генной инженерии формы жизни ничем принципиально не отличались от тех, которые и так существуют в природе. Все тот же генетический код и все тот же «алфавит» в молекуле ДНК, просто другая последовательность «букв».
+1 (аминокислота)
В 2001 году в лаборатории Питера Шульца была получена бактерия, умеющая использовать новую аминокислоту — L-метокситирозин, которую не использует ни один живой организм в природе. Таким образом, эта бактерия имела новый генетический код. Но и здесь алфавит ДНК по-прежнему не менялся.
В 2008 году группа ученых под руководством Крейга Вентера создала синтетическую молекулу ДНК. Они использовали химический синтез ДНК «с нуля», после чего синтезированную ДНК вставили в модельную бактерию. Полученная бактерия успешно жила и размножалась, а также перестроилась в соответствии с новыми генетическими инструкциями. Но хотя это был важный технологический прорыв, искусственная ДНК ничем не отличалась от обычной. Разве что в ее некодирующей части были записаны имена авторов исследования и цитаты знаменитых ученых.
+2 (буквы)
В 2014 году в журнале Nature вышла работа группы ученых под руководством Флойда Ромсберга из Института Скриппса в Ла-Хойе (Калифорния), которую два самых известных научных журнала — Nature и Science — признали научным достижением года. Ученые впервые на практике показали, что даже генетический алфавит, считавшийся фундаментальным и универсальным свойством жизни, можно изменить: они создали молекулу ДНК, состоящую не из четырех типов нуклеотидов. Помимо обычных пар А-Т и G-С, в новой ДНК есть еще одна пара d5SICS-dNaM.
Впрочем, кишечная палочка, в которую ввели такую ДНК, не умеет сама производить новые типы нуклеотидов, и ее приходится «подкармливать», добавляя их в питательную среду. Тем не менее ДНК с новыми нуклеотидами может передаваться из поколения в поколение, хотя пока что она «холостая» (с нее не считывается РНК, и она не кодирует никаких белков) — но ведь это только начало.
+152 (аминокислоты)
Три нуклеотида и четыре буквы алфавита ДНК позволяют получить 64 кодона (тройки нуклеотидов, кодирующие аминокислоты) — потенциально 64 аминокислоты. Но на практике генетический код «вырожденный»: одна и та же аминокислота кодируется несколькими разными кодонами, поэтому в стандартном генетическом коде всего 20 аминокислот. Шесть букв алфавита ДНК дают 216 кодонов (с учетом вырожденности — 172 аминокислоты). Зачем нам столько? Ответ прост. Если мы припишем кодону новую аминокислоту, то мы изменим сразу множество белков, и обычный организм может не пережить подобного вмешательства в свой генетический аппарат. Если же мы возьмем один ген и вставим в него новую нуклеотидную пару, то получим уникальный кодон, кодирующий свою уникальную аминокислоту, а все остальные гены это не затронет. Такая схема дает принципиально новые возможности для генной инженерии и создания широчайшего разнообразия новых белков с новым аминокислотным составом.
Автор — научный сотрудник сектора молекулярной эволюции Института проблем передачи информации РАН
