ДНК е основата на живота на Земята и съхранява генетичната информация в четири ключови химически вещества – гуанин, цитозин, аденин и тимин, които обикновено се отбелязват със своите първи букви: съответно G, C, A и T. А сега учените удвоиха броя на тези градивни елементи и за пръв път създадоха синтетичен 8-буквен генетичен език, който съхранява генетичната информация точно като ДНК.

В научната работа, публикувана на 21 февруари 2019 година в списание Science, консорциум от изследователи, оглавяван от Стивън Бенър, основателят на фондацията за приложна молекулярна еволюция, се доказва, че разширената генетична азбука теоретично може да описва и поддържа живот.

„Това е истински крайъгълен камък“ – каза Флойд Ромесбърг, специалист по химична биология от института Скрипс в Ла Хоя, Калифорния. Изследването показва, че няма нищо вълшебно или особено в четирите химични вещества, които по естествен начин са се образували на Земята. „Това е концептуален пробив“ – допълва ученият.

Когато двете нишки на ДНК описват двойната спирала на молекулата, химичните вещества в нея се съединяват по двойки: А се свързва с Т, а С се свързва с G. Учените отдавна се опитват да добавят към генетичния код допълнителни двойки химически вещества, известни в биологията като бази. Така например, Бенър за първи път създаде нови изкуствени бази през 1980-те години. А през 2014 година в лабораторията на Ромесбърг добави две изкуствени бази в жива клетка.

Но публикуваното сега изследване е първото, което дава възможност да бъде показано и доказано, че допълнителните изкуствени бази се разпознават помежду си и се свързват една с друга, като двойната спирала на ДНК молекулата запазва своята структура.

Екипът на Бенър, в който участват учени от различни американски компании и учреждения, създаде нови ДНК букви, описващи изкуствените бази. Стандартните ДНК символи образуват двойки, понеже се образуват водородни връзки: всяка база, обозначена със своята буква, съдържа атоми на водорода, които се притеглят от атомите на азота или кислорода на техния партньор. Бенър казва, че те са като блокчета Лего, които се съединяват, само когато отворите и зъбците съвпаднат.

Синтезирайки нови „отвори и зъбци“, учените създадоха няколко нови двойки бази, включително с имена S и B и още една, обозначена чрез символите P и Z. В научната работа се описва по какъв начин новите четири синтетични основи се комбинират с естествените. Изследователите нарекоха полученият осембуквен комбинаторен език „Хачимоджи“ от японските думи „осмица“ и „буква“. Всяка една от допълнителните основи по форма прилича на една от четирите естествени, но се създават съвсем нови варианти на двойките.

След това екипът изследователи проведе практически експерименти, които показаха, че техните синтетични последователности имат общи със със създадените от природата ДНК молекули свойства, необходими за поддържането на живота.

Данните

За да може да се използва за съхранение на генетичната информация, ДНК трябва да следва предсказуеми правила. Ето защо учените първоначално демонстрираха, че подобно на обикновените бази, синтетичните бази също образуват надеждни двойки. Те създадоха стотици молекули синтетична ДНК и показаха, че връзката между синтетичните партньори е стабилна и предсказуема.

След това учените показаха, че структурата на двойната спирала остава стабилна независимо как са подредени генетичните бази. Това е важно, понеже за еволюцията на живота е необходимо ДНК последователностите да могат да се променят, без да се разрушава структурата на молекулата. С помощта на дифракция на рентгенови лъчи екипът показа, че трите различни последователности на синтетичната ДНК запазват структурата си при кристализация.

Това е съществен прогрес, каза Филип Холигър, биолог от Лабораторията за молекулярна биология (MRC) в Кеймбридж, Великобритания. Досегашните опити в тази насока позволяваше поставянето на синтетичните бази единствено между естествените. При тези опити структурата на ДНК се разрушаваше, ако последователно се поставят няколко изкуствени бази.

И накрая, изследователите показаха, че синтетичната ДНК може достоверно да бъде прехвърлена към РНК. „Възможността за съхраняване на информацията не е особено интересна от гледна точка на еволюцията“ – каза Бенър. „Информацията трябва да бъде съхранена в молекула, която върши нещо“.

Преобразуването на ДНК в РНК е ключова стъпка в прехвърлянето на генетичната информация за протеините, които са основата на живота. Но някои РНК последователности, известни като аптамери, самостоятелно могат да се свързват с точно определени и специфични молекули. Екипът на Бенър е успял да създаде синтетична ДНК, която кодира определен аптамер и след това потвърди, че преобразуването е било успешно и РНК последователността функционира правилно.

Холигър от своя страна каза, че тази научна работа в важна отправна точка, но до създаването на истинска осембуквена генетична система предстои да се измине дълъг път. Един от ключовите въпроси е, дали синтетичната ДНК ще може да се реплицира (да се самокопира) с помощта на полимеразите – ензимите (фрагментите), отговорни за синтезирането на ДНК в организмите по време на деленето на клетките.

Разнообразието на живота

Използването в ДНК само на две букви повече увеличава сложността на белтъците 9 пъти

Бенър подчертава, че със своята научна работа неговият екип демонстрира нещо много важно: животът може да съществува и ДНК бази, които са различни от естествените четири бази. А това променя сигнатурата за търсене на живот в другите места на Вселената.

Добавянето на нови бази и съответно, букви в ДНК може да се използва и за друго. По-голямото разнообразие от генетични строителни блокове дава възможност заZ и P създаването на съвсем други РНК и ДНК последователности, които могат да вършат много по-различни неща, далеч извън само съхранението на генетичния код.

Така например, групата на Бенър показа, че ДНК веригите, включващи Z и P базите, много по-добре се свързват с раковите клетки, отколкото последователностите със само четири бази. И още, Бенър основа компания, която продава синтетична ДНК, която много успешно се използва в медицинската диагностика.

Учените вече могат да използват своята синтетична ДНК за създаването на нови белтъци, както и РНК. Екипът на Бенър дори създаде допълнителни двойки нови генетични бази, които се описват с 10 и дори с 12 букви. Но самият факт, че генетичната азбука е увеличена до 8 символа е голям научен пробив. По този повод Ромесбърг заяви: „Това откритие удвои даденото ни от природата“.