Химикам удалось создать искусственный генетический код, позволяющий обеспечивать создание и эволюционирование новых генов. В новом коде список из четырех классических азотистых оснований дополнен еще двумя, новый код может служить основой для создания синтетических живых систем, способных к случайным мутациям.

Стивен Беннер (Steven Benner), человек, которого вполне можно назвать отцом-основателем такого направления науки, как «синтетическая биология», создал две молекулы, которые могут быть инкорпорированы в молекулу ДНК наряду с обычными главными азотистыми основаниями – аденином (A), тимином (T), цитозином (Ц) и гуанином (Г). Новые азотистые основания, получившие обозначение «P» и «Z»,также представляют собой пару пуриновое/пиримидиновое основание, однако геометрия водородного связывания этой пары отличается от типа водородного связывания пар А–Т и Г–Ц.

Синтетические нуклеотиды инкорпорировались в ДНК и ранее, но обычно такие молекулы ДНК не реплицировались, поскольку ферменты, ответственные за процесс удвоения ДНК, просто не распознавали их. В соответствии с одной из гипотез, распознавание азотистых оснований ферментами основано на их взаимодействии с электронной плотностью водородно-спаренных азотистых оснований, образующих двойную спираль, таким образом, грамотный дизайн искусственных азотистых оснований позволил бы добиться их ориентации, достаточной для распознавания ферментами. Беннер отмечает, что репликация ДНК с новыми азотистыми основаниями (GACTZP-ДНК) уже наблюдалась в искусственных клетках, сейчас же планируется внедрить эту ДНК в E. Coli.

Рис. 1. P и Z – новые буквы
генетического алфавита.
(Рисунок из J. Am. Chem.
Soc., 2011, DOI: 10.1021/ja204910n).

По словам, изменение условий репликации ДНК позволяет контролировать точность, с которой происходит воспроизведение ДНК. Флойд Ромесберг (Floyd Romesberg), специалист по синтетическим нуклеотидам, заявляет, что это обстоятельство, в свою очередь, означает, что можно создать условия, с помощью которых можно сделать с парой азотистых оснований все, что угодно.

Исследователи из группы Беннера продемонстрировали, что в условиях, позволяющих снизить (но не избежать полностью) количество ошибок при репликации GACTZP-ДНК, можно достичь случайной мутации нового генетического кода, создавая основу того, что можно назвать подобием эволюции по Дарвину.

Другие условия, в которых обеспечивается максимально возможная точность репликации ДНК, также возможны – такие условия идеально подходят для осуществления полимеразоцепной реакции. В группе Беннера также разрабатывается техника секвинирования ДНК нового типа, основанная на применении ферментов, специфически расщепляющих ДНК по месту нахождения нуклеотидов с синтетическими азотистыми основаниями.

Помимо теоретических исследований, направленных на изучение особенностей химической эволюции, новый генетический алфавит может найти и практическое применение. Фрагменты синтетической ДНК могут применяться в качестве аптамеров – в последнее время они находят свое применение в качестве рецепторов и катализаторов для медицинской диагностики и создания новых лекарств.