Химики создали транскрибируемую синтетическую ДНК с восьмибуквенным алфавитом

Американские химики синтезировали новые четыре аналога азотистых оснований, которые формируют пары по принципу комплементарности так же, как это делают природные основания A,T,G,C в составе ДНК живых организмов. Как показали ученые в статье в Science, полимер, содержащий все восемь букв («хатимодзи-ДНК»), напоминает по свойствам обычную ДНК и соответствует критериям носителя информации. Более того, с восьмибуквенной матрицы при помощи природного фермента удалось синтезировать молекулу РНК.

Информация в молекулах ДНК у всех живых организмов на Земле кодируется с использованием всего четырех букв генетического алфавита — A,T,G,C, за которыми скрываются азотистые основания пуринового и пиримидинового типа аденин, тимин, гуанин и цитозин. Эти четыре основания формируют пары по принципу комплементарности (A-T, G-C), которые удерживаются водородными связями. Любая последовательность букв формирует двойную спираль ДНК, которая обладает упорядоченной определенным образом структурой.

Эрвин Шредингер, рассуждая о природе носителя информации, предположил, что он представляет собой атипичный кристалл, мутации в котором не приводят к утрате свойств кристалла. Авторы новой статьи в Science (где и цитируется Шредингер), химики из Firebird Biomolecular Sciences во Флориде под руководством Стивена Беннера (Steven Benner), одного из пионеров синтетической биологии, расширили генетический алфавит с четырех букв до восьми. Ученые показали, что получившийся полимер в той же степени соответствует критериям Шредингера, что и природная ДНК. Такой полимер авторы назвали «хатимодзи-ДНК», что переводится как «восемь букв».

 

Пары оснований внутри хатимодзи ДНК и в дуплексе ДНК-РНК
Shuichi Hoshika et al / Science 2019

Ученые синтезировали две новых пары, Z-P и S-B, которые тоже удерживаются водородными связями, и проанализировали свойства двойной спирали с расширенным алфавитом. Они показали, что такие цепочки обладают регулярной структурой и предсказуемыми термодинамическими свойствами вне зависимости от последовательности. Кроме того, ученые показали, что с хатимодзи-матрицы можно синтезировать цепочку РНК.

В этом эксперименте ученые использовали вирусную T7 РНК-полимеразу, которая синтезировала на ДНК-матрице с использованием соответствующих рибонуклеотидов цепочку хатимодзи-РНК, складывающуюся в определенную структуру (аптамер). Структура, в свою очередь, связывала молекулу флуоресцентного красителя, которая при этом активировалась. Таким образом, синтез РНК можно было детектировать по свечению раствора.

 


Структура синтезируемого хатимодзи-аптамера РНК и его свойства
Shuichi Hoshika et al / Science 2019

Оказалось, что полимераза дикого типа способна использовать только три новых буквы из четырех, но перебрав все имеющиеся варианты ученые обнаружили мутантную версию полимеразы с тремя аминокислотными заменами, которая могла вставлять в РНК все четыре новых буквы.

Таким образом, ученые расширили генетический алфавит до восьми букв, увеличили плотность кодируемой информации и показали потенциальную возможность ее расшифровки в живых системах. Однако это не первый такой случай: мы рассказывали о том, как группа Флойда Ромсберга успешно реплицировала ДНК с шестибуквенным алфавитом в бактериях и даже закодировала с ее помощью новые аминокислоты. В этой серии работ ученые использовали другую пару X-Y, которая удерживается при помощи гидрофобных взаимодействий.

Как пишут в новой статье создатели «хатимодзи-ДНК», гидрофобные взаимодействия накладывают ограничения на последовательность букв, в которых можно использовать такую пару, потому что протяженные участки из таких пар в конечном итоге нарушают структуру ДНК. Свою восьмибуквенную ДНК авторы пока собираются использовать не для расширения генетического кода, а в более прикладных целях, например, для бар-кодирования последовательностей при секвенировании, создания наноструктур с заданными свойствами или для хранения информации вне клетки.

Дарья Спасская
https://nplus1.ru/news/2019/02/21/hachimoji-DNA

Вирусная буква | Наука и жизнь

Многие бактериальные вирусы используют альтернативный генетический алфавит, тем самым обманывая защитные противовирусные системы бактерий.

Генетический алфавит состоит из пяти букв: А, Т, G, C и U. Буквы обозначают азотистые основания: аденин, тимин, гуанин, цитозин и урацил. Азотистые основания соединяются с сахаром (рибозой или дезоксирибозой) и остатком фосфорной кислоты, и в таком виде встраиваются в цепь нуклеиновой кислоты — ДНК или РНК. Последовательность ДНК — это чередующиеся А, Т, G и C, в РНК вместо тимина (Т) стоит урацил (U). ДНК представляет собой двойную спираль, и последовательности букв двух цепей соединены друг с другом водородными связями. А всегда стоит напротив Т — между ними образуется две водородные связи. G стоит напротив С — между ними образуется три водородные связи.

Бактериофаги на бактериальной клетке. (Фото: iLexx / Depositphotos) 

Открыть в полном размере

‹

›

У генетических букв могут быть разнообразные химические модификации, но в любом случае число связей в паре остаётся одно и то же. Но в 1977 году исследователи из Московского государственного университета опубликовали в Nature статью, в которой описывали странную ДНК бактериофага S-2L, поражающего цианобактерий. У этого бактериофага в паре с тимином (Т) стоят не аденин (А), а другое азотистое основание под названием 2-аминоаденин, которое для краткости назвали Z. Между Z и Т было не две водородные связи, а три. Не все тимины в ДНК фага стояли в паре Z, но большинство. И учитывая тройную связь между ними, всё выглядело так, как будто вирус использовал альтернативную версию генетического кода.

До поры до времени бактериофаг S-2L считался просто странной аномалией, уникальной в своём роде. Стоит ли обращать на него особое внимание, если все остальные организмы — вирусы, бактерии, грибы, растения, животные — используют обычный набор А, Т (U), G и C? Но на самом деле альтернативный алфавит оказался гораздо более распространён, чем это могло показаться на первый взгляд.

В конце 90-х годов сотрудники Института Пастера прочитали геном фага S-2L, чтобы узнать, откуда у него вообще берётся такая необычная генетическая буква. Им удалось найти некий ген

purA — он кодировал фермент, который участвовал в синтезе аденина и который создавал фагу букву Z (ещё раз скажем, что основание Z — производное обычного аденина (А)). Спустя несколько лет похожий ген обнаружили у бактериофага, поражающего бактерий рода Vibrio. В ДНК этого вируса тоже была нестандартная генетическая буква. Бактерий рода Vibrio и их фагов выращивать проще, чем цианобактерий и фаг S-2L, так что теперь удалось больше узнать о механизме синтеза альтернативной буквы. В вышедшей на днях статье в Science исследователи из Института Пастера описывают структуру и функции фермента PurZ, который во многом похож на фермент PurA у фага S-2L и который помогает второму фагу получить азотистое основание Z.
Более того, гены purZ обнаружились и у других бактериофагов.

Синтез новых молекул ДНК выполняет белок ДНК-полимераза, которая по мере надобности выхватывает из окружающего раствора молекулы-буквы А, Т, G и С. Но если вместо обычного А вокруг плавает Z? Фермент должен уметь обращаться с нестандартной буквой. В другой статье, тоже опубликованной в Science, сотрудники Института Пастера вместе с коллегами из Германии, Бельгии и США описывают вирусные гены, которые кодируют альтернативные ДНК-полимеразы — эти версии фермента как раз способны манипулировать буквой Z. Специальная ДНК-полимераза есть не у всех фагов, которые используют Z, и, возможно, у тех, у кого её нет, обычный фермент каким-то образом справляется с нестандартной буквой.

Но насколько вообще распространён альтернативный алфавит? Уже понятно, что фаг S-2L, с которого всё начиналось, не такое уж исключение. Но сколько таких фагов есть на свете — два, три, десяток? На этот вопрос попытались ответить исследователи из Тяньцзиньского университета и других научных центров США, Китая и Сингапура при участии Ивана Худякова из Всероссийского научно-исследовательского института сельскохозяйственной микробиологии (который был одним из соавторов статьи в Nature о необычном геноме фага S-2L).

Они проанализировали геномы множества фагов, и обнаружили, что белки, которые нужны для работы с азотистым основанием Z, есть как минимум у нескольких десятков бактериофагов. Более того, некоторые вирусы перенастраивают бактериальные ферменты, чтобы они помогали синтезировать Z, а специальные вирусные белки понижают уровень «стандартной» буквы А в бактериальной клетке, чтобы она не попала в их геном. Эти результаты описаны в третьей статье, тоже опубликованной в Science.

Зачем вирусам понадобился изменённый генетический алфавит? Дело в том, что у бактерий есть особые ферменты, которые защищают их от вирусного вторжения. Когда в бактериальной клетке появляется фаговая ДНК, эти ферменты её узнают и разрушают. Но если в фаговой ДНК вместо буквы А стоит буква Z, то бактериальные защитные ферменты оказываются бессильны, и вирус может спокойно размножаться дальше.

Четыре азотистых основания, обычно встречающиеся в ДНК:  a) Ad.

.. Четыре азотистых основания, обычно встречающиеся в ДНК:  a) Ad… | Каналы для Pearson+

Недавние каналы

  • Общая биология

Химия

  • Общая химия
  • Органическая химия
    • 900 07 Аналитическая химия
  • GOB Химия
  • Биохимия

Биология

  • Общая биология
  • Микробиология
  • Анатомия и физиология
  • Генетика
  • Клеточная биология

Математика

  • Алгебра
  • Тригонометрия
    • 90 007 Предварительный анализ

Физика

  • Физика

Бизнес

  • Микроэкономика
  • Макроэкономика
  • Финансовый учет

Социальные науки

  • Психология

Начните печатать, затем используйте стрелки вверх и вниз, чтобы выбрать вариант из списка.

Общая биология4. БиомолекулыНуклеиновые кислоты

Множественный выбор

Четыре азотистых основания, обычно встречающиеся в ДНК:

а) Аденин, тимин, цитозин, урацил

б) Урацил, аденин, цитозин, гуанин.

в) Урацил, цитозин, гуанин, тимин.

г) Аденин, тимин, цитозин, гуанин.

e) Нет правильных ответов.

Аденин, тимин, цитозин, урацил

Урацил, аденин, цитозин, гуанин.

Урацил, цитозин, гуанин, тимин.

Аденин, тимин, цитозин, гуанин.

Нет правильных ответов.

Смотреть дальше

Мастер Нуклеиновые кислоты с кратким видео объяснением от Джейсона Амореса Самптера

Начать обучение Химическая структура ДНК

Пирсон

237просмотров

HHMI BioInteractive: парные нити ДНК

Pearson

98 просмотров

Анимация: структура нуклеиновой кислоты

Pearson

431 просмотр

Анимация: структура ДНК и РНК

Pearson

676 просмотров

Анимация: двойная спираль ДНК

Пирсон

239 просмотров

Введение в нуклеиновую кислоты и нуклеотиды | Биология средней школы | Академия Хана

Академия Хана

185просмотров

Что такое нуклеиновые кислоты? Структура и функция нуклеиновой кислоты

2 Minute Classroom

315 просмотров

Основные элементы в биологических молекулах: нуклеиновые кислоты

Клиника домашних заданий

126 просмотров

Нуклеиновые кислоты

900 70 Джейсон Аморес Самптер

750просмотров

Нуклеиновые кислоты

RicochetScience

361просмотр

Нуклеотиды

Jason Amores Sumpter

842views

Нуклеиновые кислоты Пример 1

Jason Amores Sumpter

479views

5 Азотистые основания

Jason Amores Sumpter

584views

Нуклеиновые кислоты Пример 2

Jason Amores Sumpter

376views

Образование и расщепление нуклеиновых кислот

Джейсон Аморес Самптер

597views

ДНК и РНК

Джейсон Аморес Самптер

561 просмотров

Что такое тимин?

  • Скачать PDF Копировать

Автор Yolanda Smith, B. Pharm. Рецензент: Benedette Cuffari, M.Sc.

Тимин, который часто обозначается аббревиатурой T или Thy, также может называться 5-метилурацилом. Тимин является одним из пиримидиновых оснований, обнаруженных в нуклеиновой кислоте дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), наряду с аденином, гуанином и цитозином (A, G и C соответственно). Эти основания являются строительными блоками ДНК и всех форм жизни на Земле.

Изображение предоставлено: ShadeDesign / Shutterstock.com

Альбрехт Коссель и Альберт Нойман открыли тимин в 1893 году, когда они впервые в истории успешно выделили тимин из вилочковой железы телят.

Химическая структура

Химическая структура тимина включает кольцеобразную молекулу пиримидина, сходство которой характерно для каждого из азотистых оснований.

При образовании ДНК тимин и аденин всегда соединяются силой двух водородных связей, что создает стабильную структуру нуклеиновой кислоты. Аналогичным образом гуанин и цитозин связываются вместе во время образования ДНК. В определенных условиях, таких как воздействие ультрафиолетового света, также могут возникать димеры тимина, хотя это встречается гораздо реже, чем пары тимин-аденин. В большинстве случаев тимин отсутствует в структурах рибонуклеиновой кислоты (РНК), так как он замещен урацилом.

Научное название тимина, 5-метилурацил, подразумевает, что его можно получить путем метилирования урацила по положению 5-го углерода. В частности, в химической структуре это означает, что к пиримидиновому кольцу добавляется метильная (-Ch4) ветвь.

Фосфорилирование

В сочетании с дезоксирибозой тимин образует нуклеозид дезокситимидин, более известный как тимидин.

Related Stories

  • Исследование демонстрирует вариабельность MPXV внутри хозяина в пределах одного поражения
  • Основной источник редактирования генома вируса mpox во время вспышки 2022 г.
  • Исследование показывает явные сдвиги в мутационном спектре SARS-CoV-2 в процессе эволюции

Тимидин может подвергаться фосфорилированию, в ходе которого к этому веществу добавляются группы фосфорной кислоты с образованием тимидинмонофосфата, тимидиндифосфата или тимидинтрифосфата, в зависимости от количества добавленных групп фосфорной кислоты.

Мутации и рак

Если природная химическая структура тимина дефектна, ДНК подвергается мутациям, что может привести к образованию меланомы.

Частой причиной мутации ДНК с участием тимина является реакция на ультрафиолетовое излучение. Световые волны на этой частоте могут привести к тому, что тиминовые основания, расположенные рядом друг с другом, образуют димер. Поскольку это не естественная структура ДНК, это может изменить функциональность ДНК и привести к нарушению регуляции роста клеток, что может привести к образованию потенциально раковых клеток.

5-фторурацил — распространенный препарат для лечения рака, который воздействует на тимин, действуя как метаболический аналог тимина в синтезе ДНК. Если 5-фторурацил встраивается в ДНК активно делящихся раковых клеток, подавляется синтез новой ДНК и раковых клеток.

Тимин в космосе

В 2015 году ученые НАСА сообщили о доказательствах того, что тимин можно успешно производить в лабораторных условиях, напоминающих открытый космос.

Метеориты часто содержат химические вещества, такие как пиримидиновые полициклические ароматические углеводороды; поэтому это наблюдение было использовано в качестве отправной точки в лаборатории. В смоделированных условиях ученые смогли производить тимин, урацил и цитозин. Поскольку эти азотистые основания играют значительную роль в строительных блоках жизни, их успешное формирование в космических условиях подняло важные вопросы о том, могут ли некоторые формы жизни поддерживаться в космосе. На сегодняшний день это чисто теоретически, но необходимы дальнейшие исследования.

Ссылки

  • http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k90730p/f455.image
  • http://www.nasa.gov/content/nasa-ames-reproduces-the-building-blocks-of-life-in-laboratory
  • http://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(11)00662-3?_returnURL=http%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867411006623%3Fshowall%3Dtrue
  • http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/thymine#section=Classification

Дополнительная литература

  • Все, что содержит тимин

Последнее обновление: 18 марта 2021 г.