Создано пять новых видов нуклеиновых кислот

Учёным удалось осуществить перенос генетической информации между ДНК и несколькими видами новых нуклеиновых кислот, собранных на иной углеводной основе.

Нуклеиновых кислот не слишком много: если отбросить пространственно-структурные разновидности и сосредоточиться только на химическом строении, мы останемся с двумя хорошо известными ДНК и РНК. Для хранения генетической информации подходят обе, хотя подавляющее большинство организмов для этой цели использует ДНК. Обе представляют собой полимеры из нуклеозидтрифосфатов — азотистых оснований, которые выступают в роли генетических «букв», соединённых с сахаром рибозой или дезоксирибозой с довеском в виде остатка фосфорной кислоты. Углеводы и фосфаты образуют так называемый сахарофосфатный остов.

Строение нуклеиновых кислот позволяет проделывать с ними особенные молекулярные операции, которые и лежат в основе жизни. ДНК и РНК могут быть скопированы: на шаблоне одной нуклеиновой кислоты синтезируется другая. На ДНК могут быть построены как ДНК, так и РНК, и на РНК могут быть построены как ДНК, так и РНК. И вот уже примерно двадцать лет ведутся споры о том, могут ли нуклеиновые кислоты существовать с чем-то помимо рибозы или дезоксирибозы. Можно ли сделать молекулу, которая будет нести некую информацию и которую можно будет копировать, но при этом у неё будет другая структурная основа?

Такие предполагаемые нуклеиновые кислоты назвали XNA — ксенонуклеиновыми кислотами. В 2000 году удалось создать одну такую XNA, с треозой вместо рибозы и дезоксирибозы. Полученная ТНК комплементарно соединялась с ДНК и даже могла образовывать характерную двойную спираль.

Исследователям из Кембриджа (Великобритания) удалось добиться в этом смысле выдающегося прорыва: в статье, опубликованной в журнале Science, они сообщают о пяти новых видах нуклеиновых кислот.

Смысл работы был, однако, не в том, чтобы просто создать новых диковинных молекулярных монстров, а в том, чтобы проверить возможность переноса информации между молекулами разных типов. Возможны ли в принципе процессы репликации и транскрипции на других матрицах — или же упомянутая ТНК есть всего лишь хитроумное исключение? Учёные, работавшие с ДНК-полимеразами серных бактерий, путём биоинженерных манипуляций так модифицировали эти белки, что те стали способны переносить информацию с ДНК на ксенонуклеиновые кислоты и обратно. В качестве углеводных «костей» для таких молекул были использованы пятиуглеродная арабиноза (АНК), ангидрогекситол (ГНК), 2’-фторарабиноза (ФАНК), циклогексен (ГеНК) и один из аналогов обычной рибозы. Шестой модификацией была известная уже ТНК на основе треозы.

Итак, получены белки, которые на ДНК-шаблоне могли синтезировать какую-либо из этих шести ксенонуклеиновых кислот. Точно так же информацию можно перевести из ксенонуклеинового вида в обычный, ДНК-вид. Точность копирования при этом составляет 95% и выше. Пока что исследователям не удалось добиться того, чтобы на одной, например, ГНК синтезировалась другая ГНК: для этого всё равно понадобится ДНК-посредник. Однако показано другое: спустя несколько раундов взаимного превращения ангидрогекситоловой нуклеиновой кислоты в ДНК и обратно было отобрано несколько молекул ГНК, которые обладали наибольшим сродством к некоторым белкам. То есть имела место настоящая молекулярная эволюция, направляемая, правда, руками исследователей.

Тем не менее это выдающийся аргумент в пользу того, что передача наследственной информации и эволюция могли происходить и с иными химическими структурами, не только с ДНК и РНК. Существует известная проблема возникновения этих наследственных молекул в эволюции: считается, что их структура идеально подходит для эволюционно-генетических дел и одновременно слишком сложна, чтобы вот так сразу возникнуть в праисторическую эпоху. Новые же данные ясно показывают, что в незапамятные времена эволюция вполне могла выбирать из целого набора как сложных, так и простых молекул, любая из которых способна была хранить и передавать информацию. Усложнение химического строения могло идти среди набора «генетически компетентных» структур.

Но даже если забыть о тайнах возникновения жизни, новые нуклеиновые кислоты могут весьма и весьма пригодиться в биотехнологии и медицине. Хотя эти молекулы могут иметь сродство к биологическим мишеням, к белкам и РНК, сами они совершенно незнакомы ни одному ферменту. Это значит, что ксенонуклеиновые кислоты необычайно устойчивы: попав в клетку, они способны оставаться в нерасщеплённом состоянии очень долгое время. Об их устойчивости можно судить, например, по тому, что ГНК оставалась целой и невредимой после часового пребывания в сильнокислом растворе; обычная ДНК в тех же условиях быстро расщеплялась. Лекарства и вакцины, укреплённые такими «вечными» ксенонуклеиновыми кислотами, могут стать в несколько раз более эффективными, не требуя при этом гигантских концентраций действующего вещества.