Loading

Прорыв в генетике: созданы искусственные ДНК и РНК

Создано 18.09.2012 20:57
Автор: Анатолий Лемыш

ДНК

Журнал Sience сообщил о феноменальном прорыве в генетике. Группе ученых из разных стран удалось синтезировать альтернативные версии ДНК и РНК. Эти искусственно созданные, не существующие в природе молекулы способны хранить и передавать по наследству генетическую информацию. Таким образом, сделан гигантский шаг к пониманию происхождения жизни на Земле, и к созданию, быть может, новых ее форм.

«Ксено» значит «чужой»

Как известно, вся наследственная информация живых организмов хранится в ДНК или РНК. Любое существо на планете использует ДНК (некоторые вирусы – РНК) в качестве носителя наследственности. На Земле других методов передачи наследственной информации не существует. Обе эти молекулы воистину уникальны среди всего многообразия химических соединений. Они представляют собой полимеры из нуклеозидтрифосфатов — азотистых оснований, которые выступают в роли генетических «кирпичиков», или «букв». Они соединены с сахаром рибозой или дезоксирибозой, с «довеском» в виде остатка фосфорной кислоты. Углеводы и фосфаты образуют так называемый сахарофосфатный остов.

Когда ученые выяснили структуру ДНК и РНК, у них возник вопрос: а почему, собственно, нуклеиновые кислоты связываются именно с рибозой или дезоксирибозой? По химической классификации, рибоза относится к моносахаридам. Существует несколько соединений, имеющих одинаковый химический состав, но отличающихся расположением атомов в пространстве. Почему только рибозе выпала такая честь - участвовать в строительстве РНК? Непонятно. Аналогичная история и с дезоксирибрзой. Вот уже примерно двадцать лет ведутся споры о том, можно ли сконструировать молекулу, которая будет нести некую информацию и которую можно будет копировать, но при этом у неё будет другая структура? То есть: могут существовать другие соединения, которые также способны стать основой того, что мы называем жизнью? Вопрос интересен не только с научной, но и с философской точки зрения: если возможны альтернативные варианты, почему мы их не находим в природе?

Как возникла жизнь на Земле?

Теоретически, первоначальное образование таких сложных молекул, как ДНК и РНК из случайных составляющих — процесс крайне маловероятный. Тем не менее, Вселенная колоссальна и в силу закона больших чисел рано или поздно такое могло произойти. По крайней мере, мы с вами — наглядный результат такого синтеза, каким бы он ни был маловероятным. Однако, даже если жизнь возникла случайно, то впоследствии, в связи с накоплением и усложнением органической составляющей, на Земле должны были возникнуть другие формы полимеров, передающих наследственность. Если же их не существует, то вопрос о самозарождении жизни (по крайней мере на нашей планете) виснет в воздухе.

Группа ученых из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже под руководством Филиппа Холлигера смогла сделать то, что не удавалось прежде никому. С помощью специального фермента (энзима) они создали и размножили РНК- и ДНК-подобные молекулы, заменив в оригинальных РНК и ДНК содержащиеся в них сахара - дезоксирибозу и рибозу - совершенно другими сахарами. Такая ДНК получила название ксено-ДНК, так как она по сути чужеродна всему живому на Земле. Идея замены одних сахаров на другие сработала, и ученые получили систему, в которой ксено-ДНК сперва синтезировалась на матрице ДНК, а затем сама служила матрицей для воспроизведения ДНК. Причем этот «фокус» получился у них шесть раз с разными сахарами. Таким образом, ими впервые были синтезированы шесть разных «ксено-нуклеиновых кислот» (XNA) – молекул, в природе не существующих, но способных хранить и передавать генетическую информацию. Было установлено, что XNA может образовать двойную спираль наподобие ДНК, и даже быть при этом более стабильными, чем природный генетический материал. Таким образом, доказано, что ДНК и РНК, информационная основа всей жизни на Земле, не уникальны, и им можно подобрать множество альтернатив.

В качестве ферментов использовались мутантные варианты ДНК-полимеразы (синтез ксено-ДНК) и обратной транскриптазы (синтез ДНК с матрицы ксено-ДНК), Видимо, по этой причине полученная точность воспроизведения генетической информации была не слишком высока: в лучшем случае на пять порядков меньше ДНК-полимеразы и на два порядка хуже РНК-полимеразы.

Кроме того, доказано, что ксено-ДНК оказалась способной к эволюции: при использовании отбора, появлялись варианты, способные специфично узнавать строго определенные молекулы.

Вывод ученые сделали такой: альтернатива существующей системе наследственности есть! Странно, однако, почему природа не воспользовалась таким выбором, и почему вокруг нас нет молекул вроде тех, что созданы были искусственно. Данный факт — весомый аргумент в пользу теории панспермии, то есть гипотезы, что жизнь на Землю была занесена извне.

Шаг к созданию искусственной жизни

Филипп Холлиджер, ведущий автор исследования, в статье в Science утверждает: их работа доказала, что два отличительных признака жизни – наследственность и развитие – содержатся в XNA, следовательно, соединения XNA являются возможными альтернативами естественному генетическому материалу.

Витор Пинейро, соавтор эксперимента, заявил, что исследование поможет ученым понять, как ДНК и РНК стали основой при возникновении и развитии жизни, и, возможно, даже помочь в поиске внеземных организмов.

В сопровождающей статье Джеральд Джойс из Научно-исследовательского института Scripps в Ла-Хойе, Калифорния, говорит, что исследование объявило «эру синтетической генетики с применениями для экзобиологии (науки, имеющей дело с внеземной жизнью) и биотехнологии». Он добавляет: «Строительство генетических систем, основанных на альтернативных химических платформах, может, в конечном счете, привести к синтезу новых форм жизни».

Кроме того, ученые прогнозируют, что новые нуклеиновые кислоты могут весьма пригодиться в биотехнологии и медицине. Здесь изюминка в том, что они совершенно «незнакомы» ни одному стандартному ферменту, ускоряющему реакции в клетках. Это значит, что ксено-нуклеиновые кислоты необычайно устойчивы: попав в клетку, они способны оставаться в нерасщеплённом состоянии очень долгое время. Лекарства и вакцины, укреплённые такими «вечными» ксенонуклеиновыми кислотами, могут стать в несколько раз более эффективными, чем существующие «естественные» аналоги.

Источник: FacePla.net

Комментарии: