Исследователи из Кельнского университета совершили прорыв в синтетической биологии, впервые создав искусственную пару оснований ДНК, которая удерживается вместе принципиально отличной от биологической химической силой. Если в природном генетическом материале «кирпичики» жизни связываются водородными связями, то в новой разработке их место заняли галогенные взаимодействия. Результаты исследования, расширяющего фундаментальные представления о гибкости молекулы жизни, опубликованы в Journal of the American Chemical Society.
Магнитные «стыковочные узлы» вместо водорода
В течение десятилетий ученые создавали различные искусственные пары оснований, которые имитировали или дополняли природный принцип водородной связи. Однако команда профессора Стефани Кат-Шорр пошла дальше.
«Наш подход — это качественный скачок. Мы разработали полностью новую архитектуру искусственной пары, использующую галогенные связи как альтернативную притягивающую силу», — поясняет Кат-Шорр.
Галогенные связи в данном контексте работают как крошечные выверенные «стыковочные узлы» между молекулами. Для достижения этого эффекта ученые синтезировали специальные химические блоки, содержащие атом йода. Сначала с помощью компьютерного моделирования была рассчитана оптимальная геометрия расположения атомов, а затем молекулы были получены в лаборатории.
Эксперименты подтвердили: новые блоки безошибочно узнают друг друга и формируют стабильную пару.
Биологическая совместимость: тест пройден
Самым важным этапом работы стала проверка того, примет ли «чужеродные» элементы живая молекула. Роль «копировальных машин» в клетке выполняют ферменты ДНК-полимеразы, которые синтезируют новые цепи генетического материала.
В ходе лабораторных испытаний исследователи продемонстрировали, что природная ДНК-полимераза успешно распознает искусственные блоки и встраивает их в растущую нить ДНК. Это доказывает, что новая пара оснований функциональна не только в пробирке, но и в реальном биологическом контексте.
Будущее синтетической биологии
«ДНК не обязана полагаться исключительно на известные нам природные принципы», — заявляют авторы работы.
Успех эксперимента значительно расширяет «генетический алфавит» и открывает новые горизонты для синтетической биологии.
В долгосрочной перспективе наличие дополнительных типов связей в ДНК позволит создавать молекулярные системы с уникальными свойствами. Это может привести к появлению принципиально новых диагностических методов и терапевтических подходов, а также к созданию искусственных организмов с расширенными биологическими функциями, недоступными в дикой природе.
Сравнение природной и искусственной связей в ДНК
Характеристика
Водородная связь (Природа)
Галогенная связь (Лаборатория)
Химический агент
Атом водорода + азот/кислород
Атом галогена (йод) + электроотрицательный участок
Тип взаимодействия
Гибкое, относительно слабое
Направленное, жесткое («стыковочный узел»)
Биологический статус
Стандарт для всех живых существ
Биоортогональна (не встречается в природе)
Устойчивость
Легко узнается и разрушается ферментами
«Невидима» для большинства природных защит и агрессоров
Точность сборки
Высокая, но допускает природные мутации
Прецизионная: сверхточное позиционирование
Главная цель
Передача и хранение наследственности
Создание наноматериалов и защищенных лекарств
Таким образом, галогенная связь превращает ДНК из простого носителя генов в программируемый наноматериал. Она дает ученым «ключ», который подходит только к их собственному «замку», исключая случайные химические ошибки внутри живого организма.
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram