З двома літерами піддослідні бактерії отримали і два нових генетичних слова.
У всіх живих організмів, від бактерій до людини, генетичний алфавіт складається з чотирьох молекулярних букв - А, Т, Г, Ц. Букви ці - азотисті основи аденін, тимін, гуанін і цитозин. У двуцепочковій молекулі ДНК вони пришиті до довгих цукроф^ атних «перилів» і дивляться один на одного - тобто в простір між ланцюжків, причому навпроти А завжди повинен стояти Т, а навпроти Г - Ц.
Але самі по собі літери нічого не значать - вони повинні складатися в слова. Слова в генетичному коді земного життя складаються з трьох букв, що утворюють між собою різні комбінації. Такі слова-триплети відповідають амінокислотам, і коли йде синтез білка, то спеціальні машини читають код трійками, і відповідно до послідовності трійок будують послідовність амінокислот. (Там є особливості з передачею інформації від ДНК через матричну РНК до білоксинтезуючих машин, але ці подробиці ми зараз опустимо.)
Якщо порахувати, скільки комбінацій-триплетів можна отримати, маючи на руках чотири букви, то ми отримаємо 64 комбінації. Тим часом у синтезі білків беруть участь всього 20 амінокислот. Тобто код сильно надлишковий, і тому одній амінокислоті часто відповідають два, три і більше генетичних слів.
Рано чи пізно біологам повинна була прийти в голову думка, що генетичний код можна відредагувати на фундаментальному рівні, тобто приписати якимось словам нові значення, а то і зовсім розширити алфавіт і словник. Зміна значень слів здається більш складним завданням, адже тут потрібно спочатку позбавити триплет колишнього значення (про те, як це роблять, ми якось писали), а вже потім приписати йому нове.
Тим не менш, кілька років тому в Science вийшла стаття, в якій описувалося, як у бактерій кишкової палички вдалося присвоїти одному з надлишкових триплетів значення абсолютно нової амінокислоти. Оскільки амінокислоти до білоксинтезуючої машини підвозять спеціальні транспортні РНК (тРНК), то довелося створити і нову тРНК, яка носила б з собою нову амінокислоту і розпізнавала б її код під час синтезу поліпептидного ланцюга.
Але тРНК не самі хапають свої амінокислоти, для цього є спеціальні ферменти - аміноацил-тРНК-синтетази, які впізнають тільки свої амінокислоти і відповідні їм тРНК. Зрозуміло, що авторам роботи довелося створити тут і новий фермент, який би з'єднував нову амінокислоту з новою тРНК.
Але можна, як ми сказали, почати редагувати код ще раніше - з алфавіту. Іншими словами, ми спочатку повинні створити нову букву, тобто нову азотисту основу. Насправді, з хімічної точки зору тут особливо складного нічого немає, і створити нову букву можна, просто модифікувавши якусь стару. (Більше того, клітини самі модифікують «літери», і часом досить сильно, правда, код від цього не змінюється.)
Але мало синтезувати нову «букву», вона повинна нормально вбудуватися в нуклеїнову кислоту і брати участь у всіх необхідних молекулярних процесах. Вперше такі «літери» з'явилися наприкінці 80-х років минулого століття, то були модифікації гуаніну і цитозину; ДНК з ними нормально подвоювалася і на ній нормально синтезувалася молекула-посередник - матрична РНК, яка несе інформацію про білку до білоксинтезуючого апарату.
Флойд Ромесберг (Floyd Romesberg) і його колеги з Інституту Скриппса за останні двадцять років створили кілька сотень нових букв, проте розширити з їх допомогою генетичний код вдалося тільки зараз. У своїй останній роботі дослідники разом зі співробітниками біотехнологічної компанії Synthorx використовували дві нові азотисті підстави, які для простоти краще назвати X і Y.
У двуцепочковій молекулі ДНК вони стоять один навпроти одного, але при цьому з'єднуються вони не так, як всі інші: якщо А і Т, Г і Ц тримаються один за одного водневими зв'язками, то X і Y утримуються один навпроти одного гідрофобними силами, що додає їм дивацтва. Тим не менш, пара X і Y не вибивається з ряду інших «традиційних» пар, а значить, не порушує структуру ДНК - її фізичні параметри (відстані між ланцюгами, розмір кроку спіралі і т. д.) залишаються по всій довжині колишніми, що дуже важливо для взаємодії з білками і взагалі для цілісності молекули.
Спочатку, втім, бактерії з такою ДНК ділилися повільніше звичайного і норовили замінити «нетрадиційну» ДНК нормальною. Однак дослідники все-таки допрацювали нові букви, так що вони перестали доставляти незручність бактеріям. Тепер залишилося тільки зробити з них нові слова-триплети, які кодували б дві амінокислоти. Як нові амінокислоти вибрали модифікації лізину і фенілаланіну. Нові триплети генетичних букв виявилися такими: AXC (тобто аденін-X-цитозин) і GYT (гуанін-Y-тимін). Їх впровадили в ДНК, яка кодує зелений флуоресцентний білок, а ДНК відправили в бактеріальну клітку - і клітина засвітилася зеленим. При цьому, зрозуміло, у бактерій були вищезгадані ферменти і тРНК, щоб обслуговувати нові триплети в коді і нові амінокислоти, а самі амінокислоти потрібно було додавати в живильне середовище. Повністю результати описані в статті в Nature.
Виникає питання, навіщо взагалі потрібно настільки фундаментально втручатися в генетичний алфавіт і словник. Тут все просто: з новими амінокислотами можна створювати нові білкові молекули, сконструйовані для конкретних завдань. Звичайно, білки модифікували в лабораторіях і раніше, але, впровадившись в генетичний код, це можна проробляти набагато ефективніше. І тут мова не тільки про білки, а й про півсинтетичні організми з новими властивостями.
Причому не варто забувати, що, додавши всього лише дві букви, ми розширюємо число можливих генетичних слів до 216, і в результаті отримуємо можливість кодувати ще 172 амінокислоти, на додачу до колишніх двадцяти. Простір для біоінженерії, як бачимо, безкрайній.