Вся известная земная жизнь записывает наследственную информацию четырьмя буквами ДНК, но привычный алфавит перестал выглядеть жёстким пределом биологии. Исследователи показали, что клеточный фермент бактерии способен читать искусственную ДНК сразу с восемью буквами и переписывать заложенную информацию в РНК. Работа приближает синтетическую биологию к системам, способным хранить и использовать химическую информацию, которой в природе не существует.
Обычная ДНК строится из аденина A, тимина T, цитозина C и гуанина G. Основания образуют пары A:T и C:G. Искусственный алфавит Hachimoji добавляет ещё четыре компонента P, Z, B и S, образующие пары P:Z и B:S. Саму восьмибуквенную ДНК представили ещё в 2019 году. Исследователи тогда подтвердили устойчивость двойной спирали и смогли получить из искусственной ДНК функциональную РНК при помощи специально подобранной РНК-полимеразы бактериофага T7.
Новая работа отвечает на более сложный вопрос: сможет ли расширенный алфавит прочитать многосубъединичная РНК-полимераза, которой клетки действительно пользуются для экспрессии генов. Команда Калифорнийского университета в Сан-Диего показала, что очищенная РНК-полимераза E. coli распознаёт обе искусственные пары и включает соответствующие синтетические нуклеотиды в растущую цепочку РНК.
Особенно важным оказался способ распознавания новых букв. Искусственные пары сохраняют геометрию, близкую к природным парам Уотсона-Крика, поэтому активный центр фермента обращается с P:Z и B:S почти как с привычными основаниями. После добавления искусственной буквы полимераза продолжала движение по матрице и удлиняла РНК без заметной остановки. Скорость включения P:Z в экспериментах оказалась сопоставимой со скоростью работы с природными субстратами.
Увидеть происходящее на молекулярном уровне помогла криоэлектронная микроскопия. Учёные получили структуры комплекса с почти атомным разрешением и проследили, как искусственный нуклеотид входит в активный центр. Ключевые элементы РНК-полимеразы занимали практически те же положения, что при работе с естественной ДНК. Ферменту не понадобился отдельный механизм для распознавания нового химического алфавита.
Полной безошибочности добиться пока не удалось. Синтетическая буква Z иногда ошибочно образовывала пару с природным гуанином G. Исследователи создали вариант Z*, заменив нитрогруппу на карбоксамидную группу. Модификация заметно снизила число неправильных включений, сохранив способность образовывать пару с P. Работа показывает, что точность искусственного алфавита можно повышать направленным изменением химической структуры самих букв.
Параллельное исследование той же группы расширило границы ещё сильнее. РНК-полимераза E. coli смогла работать с искусственной парой Ds:Pa, удерживаемой главным образом гидрофобными взаимодействиями без классической схемы водородных связей. Результат показывает, что клеточная машина считывания ДНК допускает гораздо больше химических вариантов, чем набор, выбранный земной эволюцией.
Практический интерес связан не с созданием организма с необычной ДНК ради самого эксперимента. Расширенный алфавит даёт химикам больше строительных элементов для проектирования молекул с заданными свойствами. Шестибуквенные системы уже применяли для создания аптамеров, способных распознавать клетки рака печени, а экспериментальная конструкция доставляла доксорубицин преимущественно в выбранные опухолевые клетки в культуре. Дополнительные буквы могут расширить набор доступных форм и химических взаимодействий для будущих диагностических молекул, лекарственных платформ и биосенсоров.
До организма с полноценным восьмибуквенным геномом путь остаётся длинным. Эксперименты проводили с очищенной РНК-полимеразой и подготовленными молекулярными конструкциями, а не с бактериями, постоянно хранящими и передающими Hachimoji-ДНК из поколения в поколение. Полноценный перевод восьмибуквенной информационной системы в белки также пока не реализован. Авторы рассматривают транскрипцию как необходимый промежуточный этап перед созданием более сложной искусственной генетической системы.
Главный результат касается фундаментального ограничения жизни. Четыре природные буквы больше нельзя считать единственным химическим алфавитом, совместимым с базовой машинерией считывания генов. Биология способна работать с более широким набором молекулярных символов, если новые компоненты достаточно точно вписываются в геометрию и химию клеточных ферментов.
