Юный техник, 2014 № 09

УДИВИТЕЛЬНО, НО ФАКТ! Новые «буквы»

ДНК всех живых организмов состоит из «букв» — нуклеотидов, основу которых составляют четыре азотистых основания (аденин, гуанин, тимин, цитозин). При построении двойной спирали ДНК они объединяются в пары A-T и C-G.

«Мы создали живой организм, который использует, кроме этих пар, еще одну искусственную пару оснований, — объяснил суть работы ее руководитель, профессор Флойд Ромесберг. — Это доказывает, что для хранения генетической информации возможны и другие решения, кроме существующих в природе».

Исследователи лаборатории Ромесберга с конца 90-х годов ХХ века работают над поиском молекул, которые могли бы расширить генетический алфавит. Это непростая задача, так как искусственные основания должны так же химически объединяться в пары, как A-T и C-G. Такие пары должны быть стабильны и в то же время обладать способностью распадаться под действием фермента ДНК-полимеразы. Дело в том, что при репликации ДНК — то есть ее копировании — первым шагом является разъединение двойных цепей, составляющих эту самую ДНК.

Эту задачу ранее уже удалось решить in vitro, то есть «в стекле», в пробирке. Ученые предложили ДНК несколько искусственных оснований (UBPs), которые она в себя приняла. В 2008 году специалисты в лаборатории Ромесберга синтезировали основания d5SICS и dNaM, которые образовали пару. При этом пара оказалась стабильной, но способной распадаться под действием фермента ДНК-полимеразы. Что, как говорится, и требовалось доказать.

Позже исследователи выяснили, что на полусинтетической ДНК образуется РНК, как это происходит в природе. Остался последний шаг — вставить ДНК с лишними «буквами» в живую клетку и проследить, как она себя поведет. С этой целью ученые синтезировали кольцевую ДНК с искусственными основаниями — плазмиду и вставили ее в бактерию кишечной палочки E.coli.

Основная задача состояла в том, чтобы проверить, будет ли полусинтетическая ДНК реплицироваться — воспроизводить себя. Для этого в среду, содержащую бактерии, добавили искусственные основания d5SICS и dNaM.

Затем надо было добиться, чтобы основания присоединяли к себе сахара и фосфаты и превращались в нуклеотиды. В этом помог транспортный белок, который ученые выделили из одноклеточных водорослей. В итоге полусинтетическая ДНК реплицировалась с вполне приемлемой скоростью и точностью. Искусственные основания при этом не терялись, а биоинженерная кишечная палочка росла ненамного медленнее, чем обычная.

«Большим прорывом является то, что мы получили управляемую систему, — подчеркивает Денис Малышев. — Когда мы прекращаем подачу в клетку искусственных оснований, ДНК переходит на естественные основания, а d5SICS и dNaM просто исчезают из генома».

Добавив к генетическому алфавиту искусственные основания X и Y, исследователи расширяют «белковый словарь». Это позволит, например, получать совершенно новые белки для создания лекарств, применять иные методы диагностики и совершенствовать вакцины.

«В принципе, мы можем закодировать и получить совершенно новые белки, состоящие из искусственных аминокислот, — говорит профессор Ромесберг. — Это открывает огромные возможности для медицины будущего — мы сможем изготавливать белки по заказу для терапевтических целей. Другая возможная область применения — нанотехнология и наноматериалы».

Именно этим, кстати, занимаются исследователи из Массачусетского технологического института. Они разработали материал будущего — нечто, обладающее свойствами живых и неживых субстанций. Для этого биоинженеры «заставили» бактерию E.coli формировать структуру с использованием неживых материалов — таких как наночастицы золота и квантовые точки.

Схематическое изображение синтетической ДНК с тремя парами оснований.

Как оказалось, если добавить в процесс построения биопленки пептиды, они, в свою очередь, будут захватывать посторонние элементы и синтезировать новые молекулы уже с их использованием. В результате у ученых получилась вроде бы «живая» материя с новыми для нее свойствами — электропроводимостью или светоизлучением.

Причем, программируя бактерии и меняя условия среды, ученые смогли создать золотые нанопровода, электропроводящие биопленки, а также тонкие слои, усыпанные квантовыми точками, которые, соответственно, проявляют квантово-механические свойства — основу квантовых компьютеров нового поколения.

Наконец, оказалось, что клетки могут «общаться» друг с другом и менять свои свойства с течением времени. То есть имеет место своеобразная эволюция подобных то ли организмов, то ли механизмов.

Из таких полуживых структур люди, возможно, будут через какое-то время не строить, а выращивать солнечные батареи, самовосстанавливающиеся материалы, диагностические датчики и другие полезные вещи.

А там, глядишь, дело дойдет и до создания более сложных устройств. Братья Стругацкие в свое время описывали машины и механизмы, которые вырастали, подобно цыплятам из яиц, из неких механозародышей. Теперь появляется технология, способная превратить фантастику в реальность. Компьютеры и мобильники будут расти в теплицах, а вместо заводов люди заведут фермы по выращиванию, например, космолетов. И подобное будущее уже, кажется, не за горами.

Публикацию подготовил С. СЛАВИН