Синтез нового гена «в пробирке» за сутки – почти реальность

Для начала – немного ликбеза для тех, кто подзабыл школьную биологию. Как известно, хранителями и передатчиками наследственной информации в живой клетке являются длинные полимерные молекулы – нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В определенных участках ДНК – генах – зашифрована структура белков. А среди РНК можно выделить матричные, на которых идет сборка белков, и регуляторные, влияющие на работу всей внутриклеточной машинерии.

Молекула ДНК представляет собой спираль из двух цепочек последовательно соединенных «букв»-нуклеотидов – азотистых оснований, присоединенных к остатку сахара-дезоксирибозы. Структура двойной спирали поддерживается благодаря взаимодействию нуклеотидных пар, которое осуществляется строго по принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, цитозин – с гуанином.

Когда в процессе деления клетки требуется скопировать молекулу ДНК, в дело вступают ферменты ДНК-полимеразы, которые «читают» имеющуюся нуклеотидную последовательность и синтезируют новую, которая является ее комплементарным «отражением».

Свойство полимераз строго следовать ДНК-матрице не дает ученым возможности использовать их для построения длинных цепочек нуклеотидов «произвольного» состава. Есть еще давно известный химический способ синтеза нуклеотидных последовательностей, но с его помощью можно создавать лишь небольшие цепочки (олигонуклеотиды). К тому же при этом используются токсичные реагенты, а сам синтез идет медленно и с ошибками, что ограничивает длину олигонуклеотида примерно двумя сотнями «букв». Для многих исследовательских задач этого достаточно, но вот создать целый ген… Большинство генов содержат тысячи «букв»-нуклеотидов, и искусственные гены приходится «собирать» из кусочков, что очень затруднительно.

Однако альтернатива существует: это давно известный фермент – терминальная дезоксинуклеотидилтрансфераза (TdT), которая умеет присоединять нуклеотиды к цепочке случайным образом. Эта полимераза очень важна для адекватной работы иммунной системы: она используется для создания множества вариаций генов, кодирующих изменчивые области антител, среди которых затем происходит своего рода «естественный отбор».

Ученые долго пытались заставить TdT присоединять один нуклеотид, а затем останавливаться. Для этого к нуклеотидам присоединяли химические группы – своего рода «стоп-сигналы», позволявшие останавливать синтез после добавления каждого нуклеотида. Затем систему отмывали от «ненужных» молекул и обрабатывали соединением, «отрезающим» стоп-сигнал, и цикл повторяли с другим нуклеотидом. Но такой синтез шел плохо и медленно.

Американские ученые из Калифорнийского университета и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли нашли радикальное решение проблемы. Они стали связывать нуклеотиды с самим ферментом, так что после присоединения к цепочке нового нуклеотида синтез блокируется автоматически. Затем нужно просто с помощью химических агентов разорвать связь между ферментом и олигонуклеотидом и промыть систему.

С новым подходом время синтеза олигонуклеотида стало сравнимо с тем, что тратится на «классический» химический способ, а простые условия реакции и отсутствие агрессивных химикатов дают надежду, что таким образом можно синтезировать длинные цепочки ДНК. Правда, пока ученым с помощью нового метода удалось создать олигонуклеотид, состоящий всего из десятка «букв». Кроме того, точность синтеза на данный момент составляет примерно 98%, т.е. на 1% меньше по сравнению с традиционным способом, а чтобы синтезировать «ген» длиной до тысячи оснований, нужна точность 99,9%.

Тем не менее ученые настроены оптимистично, так как в случае успеха этот метод позволит синтезировать целый ген буквально в течение дня, что станет настоящим прорывом в синтетической биологии. Имеется еще одно очень интересное возможное применение этого метода, далекое от биологии и медицины: переведя цифровой двоичный код в генетический, можно записывать в виде ДНК информацию, создавая очень компактные архивы данных.

Фото: Пышный Д. В., Веньяминова А. Г., Синяков А. Н., Зенкова М. А., Власов В. В. «Нуклеиновый конструктор». НАУКА из первых рук. 2008. № 5(23).

Подготовила Мария Перепечаева