В 1953 году, когда ученые окончательно определили структуру ДНК, это было монументальное, лауреат Нобелевской премии: четыре нуклеотида, каждый из которых содержит основание, помеченное буквой, были расположены в структуре двойной спирали. Эти четыре основания, или «буквы», образуют пары: аденин, А, совпадает с тимином, Т и цитозином, С, связывает с гуанином, G. Эти пары, по сути, являются строительными блоками жизни на Земле; способ, которым пары расположены, создает генетические инструкции о том, как производятся белки, что, в свою очередь, помогает практически в каждом критическом процессе, который поддерживает нас.
Теперь, согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Science, междисциплинарная команда исследователей расширила генетический алфавит, создав синтетическую ДНК, которая использует восемь букв, а не четыре. Новая изготовленная структура называется «ДНК хатимодзи », от японских слов «восьмерка» и «буква». Создание ДНК хатимодзи было, как пишет Карл Циммер в « Нью-Йорк таймс», «химической силой для группы» для группы во главе со Стивеном Беннером, синтетическим биологом из Фонда прикладной молекулярной эволюции, который открывает новые возможности во многих областях, включая медицинские исследования и хранение данных.
Синтетическая ДНК производится с нуля в лаборатории. Специально запрограммированная ДНК может предоставить инструкции, которые могут не встречаться в природе. Прямо сейчас синтетическая ДНК, использующая типичные четыре основы, была разработана для новых целей, таких как создание новых ароматов для духов, но есть и потенциальные медицинские применения, такие как производство фермента, который способен расщеплять глютен и лечить целиакию.
«Hachimoji DNA» добавляет две новые пары - P и Z, затем B и S - в смесь. Предыдущая работа создала различные версии шестиосновных структур синтетической ДНК. Восьмиосновная ДНК значительно расширяет возможное количество трехбуквенных комбинаций или кодонов, которые ДНК может хранить.
Меган Молтени из Wired объясняет:
«Четырехбуквенный алфавит дает вам 64 возможных кодона, которые дают 20 аминокислот, строительных блоков белков. Шесть букв занимают до 256 кодонов; восемь делает это 4096 ».
Большинство предыдущих попыток добавления пар оснований были нестабильны, потому что они использовали водоотталкивающие молекулы в своих основаниях, сообщает Мэтью Уоррен для Nature . Новые синтетические пары могут быть зажаты между натуральными парами, но не могут быть размещены в ряд. ДНК хатимоджи, однако, использует водородные связи - как и естественная ДНК - добавляя структурную целостность.
В природе ДНК содержит инструкции по созданию белков. Ключевым шагом в этом процессе является создание цепи РНК с зеркальным отображением. В противном случае информация, хранящаяся в ДНК, остается неиспользованной, как рецепт, который никогда не готовится. Вы не сможете наблюдать эффект каких-либо недавно созданных генов, не говоря уже о том, чтобы увидеть эволюцию. Соавтор исследования Эндрю Эллингтон, инженер-эволюционист из Университета Техаса, синтезировал фермент, который мог читать ДНК хачимоджи (включая новые буквы) и создавать соответствующую цепь РНК. Меган Молтени из Wired сообщила, что РНК работала так, как задумано: одни создавали зеленое флуоресцентное свечение, а другие связывались с опухолями печени или раком молочной железы в чашке Петри.
Увеличенная емкость хранилища Hachimoji DNA означает, что мы можем использовать восьмибуквенную ДНК для хранения информации, как сверхпрочный микроскопический компьютерный чип. Как объясняет Эд Йонг в National Geographic, исследователи могут создать ключ, который переводит информацию с языка компьютеров - двоичные числа 1 и 0 - в буквы алфавита ДНК. ДНК длится намного дольше и занимает гораздо меньше места, чем жесткие диски, и исследователи успешно сохранили полную операционную систему компьютера и весь фильм в обычной четырехбуквенной ДНК.
Открытие также помогает ответить на биологическое затруднение: может ли жизнь существовать, используя другие строительные блоки, кроме четырех нуклеотидных оснований, которые используются на этой планете? Синтетический биолог Флойд Ромесберг сказал Nature, что новое исследование является «концептуальным прорывом».
«В течение долгого времени у нас были намеки на то, что жизнь произошла от G, A, T, C, не потому, что они были точно подходящим сырьем, а потому, что они были просто доступны», - сказал Ромесберг в интервью Wired, и это исследование первый, чтобы подтвердить это подозрение.
НАСА, одна из организаций, которые финансировали исследование, объявило в пресс-релизе, что исследование ДНК хатимодзи будет информировать его о поиске жизни на других планетах, поскольку открытие предполагает, что внеземная жизнь не может использовать те же строительные блоки, что и жизнь на Земле.
Но создали ли ученые совершенно новый тип жизни на Земле? Нет, согласно Discover . Хотя ДНК хатимоджи отвечает всем структурным требованиям жизни, она не может существовать вне тщательно откалиброванной лабораторной среды.
