Новости и мнения

6-буквенный алфавит ДНК продуцирует белки в клетках

Транскрипция и трансляция ДНК, содержащей синтетические пары оснований, становится реальностью в живых клетках.

synthetic base pair, first reported in 2014, can now not only replicate inside living cells, but also encode and produce proteins containing atypical amino acids, according to a report in Nature today (November 29). Синтетическая пара оснований, впервые представленная в 2014 году, теперь может не только реплицироваться в живых клетках, но также кодировать и продуцировать белки, содержащие атипичные аминокислоты, согласно отчету Nature сегодня (29 ноября ). По словам авторов, этот прогресс в доказательстве принципа теперь создает основу для биохимиков для создания белков с совершенно новыми формами и функциями по сравнению с теми, которые могут быть созданы природными организмами.

«Какая прекрасная бумага», – говорит инженер-химик и биолог Майкл Джеветт из Северо-Западного университета, который не принимал участия в исследовании. «Что особенного в этой работе, так это то, что авторы охватили весь информационный поток центральной догмы – хранение, поиск и, в конечном итоге, перевод в функциональный вывод – используя этот расширенный генетический алфавит».

Во всех формах жизни на земле генетическая информация состоит из четырехбуквенного алфавита – нуклеотидов G, C, A и T, которые образуют пары оснований GC и AT. Но три года назад профессор химии Флойд Ромесберг из Научно-исследовательского института Скриппса в Калифорнии и его коллеги расширили этот алфавит, сообщив о создании дополнительных искусственных нуклеотидов X и Y, которые могут образовывать пары в ДНК и участвовать в репликации в живой бактериальной клетке. ,

С этого момента, объясняет Ромесберг, целью команды было «заставить молекулы функционировать с полимеразами и с рибосомами в клетке», то есть работать с клеточным механизмом, который транскрибирует ДНК в РНК и переводит РНК в белок. Теперь эта амбиция достигнута.

Во-первых, исследователи ввели искусственную пару оснований, XY, в ген зеленого флуоресцентного белка (GFP) – переключая кодон в некритической части гена с TAC (который кодирует аминокислоту тирозин) на AXC. Затем они создали трансферную РНК, которая содержала соответствующий анти-кодон, GYT, и содержала неканоническую аминокислоту под названием PrK – поставляемую исследователем аминокислоту, которая редко встречается в любых природных белках. Затем команда выразила эти два гена в специализированных бактериях, которые поддерживают удержание синтетических нуклеотидов в их ДНК – так называемых полусинтетических организмов. И вот, микробы продуцировали GFP-белки, содержащие нестандартную аминокислоту.

Каждый белок, полученный в любой живой клетке, был получен путем расшифровки четырехбуквенного алфавита. В настоящее время мы сообщили о декодировании белков с шестибуквенным алфавитом. , , , Это все еще заставляет волосы на моей шее встать. Флойд Ромесберг,
Научно-исследовательский институт Скриппса

«Это инженерный подвиг», – говорит биолог и биохимик Юджин Ву из Университета Ричмонда в Вирджинии, который не принимал участия в исследовании.

«Удивительно, что все работает так хорошо, – добавляет химик- биолог Найджел Ричардс из Университета Кардиффа в Великобритании. – Это такая сложная система, и есть много мест, где она могла бы выйти из строя».

Но это не так. Затем команда продемонстрировала, что транскрипция и трансляция могут происходить с альтернативным синтетическим кодоном – GXC – и приводить к включению еще одной неканонической аминокислоты, называемой pAzF. Они использовали несколько анализов, включая масс-спектрометрию и химию щелчков, чтобы подтвердить присутствие неканонических аминокислот в белках.

Искусственная пара оснований XY формируется за счет гидрофобного притяжения между двумя элементами, а не за счет водородных связей, которые обычно образуют связи между естественными парами оснований Уотсона и Крика. Но нуклеотиды X и Y в остальном схожи – они разделяют сахарофосфатную основу нормальных нуклеотидов.

«Действительно интересно, что вам не нужна водородная связь для управления передачей информации», – говорит Ричардс.

«То, что он говорит мне, – говорит Ву, – это то, что достаточно приблизиться к форме пар оснований».

Однако необычная химия спаривания, вероятно, ограничивает число таких искусственных пар оснований, которые могут быть включены в молекулу ДНК, говорит Ричардс. «Вы получаете искажения в спирали», где встречаются эти пары оснований, объясняет он. Таким образом, можно разместить одну пару оснований, потому что «окружающие пары оснований Уотсона и Крика почти наверняка компенсируют это. , , , Но если бы у вас было три подряд, то теперь не очень понятно, можно ли сохранить спиральную структуру или что ферменты действительно будут работать ».

Другие исследователи, в том числе Стивен Беннер из Фонда прикладной молекулярной эволюции во Флориде, создали ряд новых пар оснований, которые используют водородную связь. Они интегрируются в ДНК, не разрушая двойную спираль, и могут присутствовать в ДНК на длинных участках. Однако до сих пор эти нуклеотиды способны к репликации, транскрипции и трансляции только in vitro, объясняет Беннер в электронном письме The Scientist .

По словам Ву, наиболее вероятным применением искусственной пары оснований Ромессберга является «включение не встречающихся в природе аминокислот в определенные части белков», что значительно расширяет возможности биохимиков для создания белков с новыми функциями. Наличие уникальной аминокислоты в белке может, например, обеспечить прикрепление лекарственного средства или другой молекулы, представляющей интерес, к определенной точке конкретного белка. И для такого рода применений ограничения гидрофобного связывания, вероятно, «не имеют значения», говорит Ричардс.

В конечном счете, инженеры XY хотели «получить молекулы, которые функционируют в клетке. , , , Это было нашей целью », – говорит Ромесберг. Перед этой статьей, добавляет он, «каждый белок, полученный в любой живой клетке, был получен путем расшифровки четырехбуквенного алфавита. В настоящее время мы сообщили о декодировании белков с шестибуквенным алфавитом. , , , Это все еще заставляет волосы на моей шее встать.

Y. Zhang et al., «Полусинтетический организм, который хранит и получает увеличенную генетическую информацию», Nature , doi: 10.1038 / nature24659, 2017.

Обсуждение

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *