Хатимодзи — альтернативная жизнь?

Четыре главных (слева) азотистых оснований ДНК и четыре «дополнительных», которые совместно образуют восьмибуквенную ДНК (С — цитозин, G —гуанин, Т — тимин и А — аденин); азотистые основания соединяются водородными связями (они показаны пунктиром)

Вслед за Фридрихом Энгельсом мы с полной уверенностью можем сказать, что жизнь — «способ существования белковых тел». Белки катализируют биохимические процессы, образуют структурные элементы клетки. ДНК выполняет роль хранилища биологической информации, а РНК — посредника между информацией в ДНК о белках и машинерией белкового синтеза (хотя у РНК, как мы теперь знаем, есть и другие функции — ферментативные, регуляторные и пр.).

Однако расширенный генетический код, созданный группой исследователей под руководством Стивена Беннера (Фонд прикладной молекулярной эволюции, США), которого часто называют основателем синтетической биологии, показывает, что белково-нуклеиновая жизнь — не единственный вариант. Еще в 2011 году группа Беннера создала пару ДНК-нуклеотидов Z и P, в дополнение к классическим А–Т, G–C, и что еще более важно — изменила фермент ДНК-полимеразу таким образом, что она смогла копировать шестибуквенную ДНК. А теперь нуклеотидов стало уже восемь, добавилась пара S–B. Как и в природных нуклеотидах, комплементарное взаимодействие обеспечивают водородные связи между азотистыми основаниями (см. рисунок). От пар А–Т, G–C новые пары отличает пространственное расположение акцепторов и доноров водородной связи; кроме того, «буква» Z содержит нитрогруппу.

Восьминуклеотидную ДНК авторы работы назвали «хатимодзи» — «восемь букв» по-японски. Новые пары ведут себя как положено: отличаются высокой специфичностью, то есть Z комплементарен только P, а S–B не нарушают структуру двойной спирали. Более того, модифицированный фермент РНК-полимераза может строить восьминуклеотидную хатимодзи-РНК на матрице хатимодзи-ДНК!

Это исследование еще раз подтверждает, что в нуклеотидах современного генетического кода нет ничего мистического, эволюция могла выбрать и другие молекулы, которые справились бы не хуже. Можно пофантазировать и дальше: в мире, где нуклеотидный код изначально был восьмибуквенным, могла существовать РНК с более разнообразными свойствами, и, возможно, не было бы необходимости в аминокислотных полимерах — РНК-мир так и не уступил бы место белковому.

Но ДНК с дополнительными основаниями способна найти практические применения и в нашем мире. Число комбинаций и перестановок восьми букв значительно превосходит возможности классической четырехбуквенной ДНК, и разработка Беннера может оказаться перспективной для биомолекулярной информатики — хранения и шифровки информации, важной для человека, с помощью биомолекул. Такая ДНК может использоваться для создания новых белков, включающих аминокислоты помимо канонических двадцати, или ДНК- и РНК-аптамеры с необычными свойствами.

Многие биологи и химики, узнав о работе Беннера, заявляют, что было бы интересно создать и другие ферменты, способные работать с восьмибуквенной ДНК, и обеспечить ее интеграцию в известные биологические системы. Подобные работы есть — например, ученые из Исследовательского института Скриппса под руководством Флойда Роумсберга создали нуклеотиды X и Y, еще более непохожие на природные, и научили кишечную палочку копировать плазмиду с этими нуклеотидами. Однако Беннер говорит, что он умышленно не сделал новую ДНК самовоспроизводящейся и не планирует это делать в ближайшем будущем, так как ему не хочется провести остаток жизни, объясняя всем и каждому, почему его искусственная ДНК не сможет сбежать из лаборатории и захватить мир.

Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 4/2019) на с. 10 — 11.