ДНК скрутили в тройную спираль

Красота и мощь природного генетического аппарата, скрытые в двуцепочечной спирали ДНК, уже давно вдохновляли ученых на эксперименты по созданию искусственных молекул по образу и подобию материальной основы наследственности. Такие попытки осуществлялись уже не раз, так как простор для действия ученых довольно широк.

Во-первых, рукотворные изменения могут затронуть только так называемую скелетную часть ДНК, состоящую из молекул моносахарида дезоксирибозы, соединенных фосфодиэфирными мостиками. Такие синтетические эксперименты учёные уже проводили, что привело к созданию так называемых пептидных нуклеиновых кислот (ПНК), трео-фуранозильных нуклеиновых кислот (ТНК) и некоторых других аналогов. Однако эти изменения не затрагивают главных составных частей, из которых создана ДНК, азотистых оснований – аденина, цитозина, тимина, урацила и гуанина, так как целью подобных трансформаций было создание молекул, пригодных для применения в живых организмах – в исследованиях или для лечения генетических аномалий.

Другой стратегией создания искусственных ДНК является замена природных азотистых оснований на синтетические или добавление новых оснований, также способных вступать во взаимодействие по принципу комплементарности.

Дело в том, что ДНК, сколь бы сложной она не была, вполне может стать расходным материалом для многих технологий будущего. Природной ДНК на Земле предостаточно, молекула удобна для лабораторных экспериментов и вполне может вписаться в технологическую линию. Но самое главное — то, что природный механизм самоорганизации молекулы открывает огромные перспективы для использования в развивающихся отраслях науки – нано- и биотехнологиях и химической биологии.

К сожалению, эффективность ДНК ограничена всего двумя комплементарными парами – гуанин-цитозин и аденин-тимин. Создание искусственных аналогов, способных заменить природные компоненты в спиральной молекуле, открыло бы людям куда больше возможностей.

Разумеется, пока что это только фантазии, и эксперимент по получению полностью искусственной молекулы ДНК, описанный в «горячей» статье в Journal of the American Chemical Society, был поставлен японскими учеными по большей части из любопытства. Ну и соображений научного престижа, конечно.

Масахико Инуё и его коллегам удалось создать аналог ДНК, в который входят исключительно искусственные азотистые основания.

Поскольку при этом все «соединительные мосты» между нуклеотидами – дезоксирибоза и остатки фосфорной кислоты – остались прежними, то молекулу эту с полным правом можно называть даже не «аналогом», а ДНК. Поскольку в клеточных ядрах живых организмов ничего подобного не встречается, учёные полагают, что для неё лучше всего подходит термин «искусственная ДНК».

Лаборатория Инуё, работающего в высшей школе фармацевтики при Университете японского города Тояма, взяла за основу свои прежние наработки. В прошлом они уже показали, что гуанин в цепочке ДНК можно легко заменить на соединение «изо-гуанин^*», способный вступать в обратимое взаимодействие по механизму водородной связи – трехкратной, как и у гуанина. При подготовке к синтезу полностью искусственной ДНК учёные создали также комплементарный «изо-гуанину^*» «изо-цитозин^*», «изо-тимин^*» и «изо-аденозин^*».

Синтезировав на основе этих искусственных азотистых оснований несколько достаточно длинных двуцепочечных последовательностей, ученые сравнили их свойства со свойствами природной цепи.

Близость термодинамических и структурных параметров искусственной и природной ДНК и позволила ученым громко заявить о своем успехе.

Термическая стабильность искусственной ДНК оказалась очень близка к таковой у природного образца, несмотря на замену молекул и изменения соотношения силы взаимодействия нуклеозидов по механизму водородной связи и их стыковке благодаря гидрофильно-гидрофобным взаимодействиям.

Сохранили искусственные последовательности нуклеозидов и высокую избирательную способность, также почти не уступающую фрагментам естественной ДНК. Например, последовательность из десяти искусственных нуклеотидов очень слабо взаимодействует с «почти комплементарной» ей цепочкой, даже если комплементарности не удовлетворяет хотя бы один из нуклеозидов. Причем такая избирательность, очень близкая к избирательности природной молекулы, обеспечивается исключительно за счет взаимодействия нуклеозидов, а не за счет не подходящих друг другу по размеру азотистых оснований. В природной молекуле размерный эффект приводит к значительному искажению углеводного скелета, за счет чего некоплементарная последовательность становится еще более неустойчива.

Более того, цепочки, построенные только из синтетических заменителей тимина и аденина, проявили способность к формированию тройных спиралей.

Ученые связывают это с особой симметрией молекул и надеются, что в будущем эта экзотическая особенность синтетических азотистых оснований может быть использована в технологических задачах.

Научится ли человек создавать искусственные живые системы на основе собственных ДНК, созданных по воле разума, а не по стечению факторов, зародивших жизнь на земле миллиарды лет назад, – покажет время. Пока же ждем прорыва в нанотехнологии, биохимии и других областях передовой науки, о которых «Газета.Ru» обязательно расскажет.