Направи дарение на училище!

Еволюцията на високофункционална ДНК би могла да позволи откриването на изкуствени секвенции от нуклеинови киселини със свойства, различни от тези на естествената ДНК. Вече e създадена изкуствена транслационна система, която подпомага развитието на неестетвени полимери от определена последователност от нуклеинови киселини, състоящи се от осем различни функционални групи за 32 кодона.

Превъзходството на белтъците над нуклеиновите киселини в природата обикновено се обяснява с наличието на 20 аминокиселини в сравнение с четирите бази, изграждащи ДНК и РНК. Но какво би следвало, ако химичното разнообразие на нуклеиновите киселини се обогати чрез добавянето на голямо количество протеиноподобни елементи? Дали синтезът на високо функционални ДНК библиотеки ще подпомогне еволюцията на молекули от нуклеинови киселини с подобрени функционални свойства или ще позволи откриването на химическа активност, различна от тази на естествената ДНК? Освен че подобни фундаментални въпроси често са богата предпоставка за дълги вечерни разговори за произхода на живота и появата на функция при биополимерите, те също така предостaвят поглед върху това как биха изглеждали следващите поколения рецептори, катализатори и вещества.

Дългогодишни пионерски изследвания разкриват, че е възможно създаването на химически модифицирана ДНК с предварително определени свойства, включително свързване с лиганд и катализа. С използването на метод за ин витро селекция (SELEX), учените имитират естествените процеси на Дарвиновата еволюция чрез създаването на голям брой различни секвенции чрез повтарящи се серии от селекция и амплификация. С тези експерименти се подбират молекули, които заемат конформации, изпълняващи желаната функция, след което се реплицират до произвеждането на нови „поколения“ молекули със свойства, близки до тези на изходната секвенция. Въпреки че ин витро селекцията доведе до голям брой забележителни успехи, включително развитието на синтетични генетични полимери с изцяло подменен захарофосфатен скелет, процесът сам по себе си е ограничен до подклас от мономери, съдържащи както естествени нуклеозид трифосфати, така и химически модифицирани бази, които биват разпознати от полимераза. В следствие на това, нарастващите ДНК библиотеки изследват много по-малък обем от химично пространство, отколкото иначе би било възможно, ако синтезът на ДНК се осъществява извън тези ограничения.

Друго изискване, освен полимеразите, е способността да се кодира и декодира химична информация в синтетични полимери, където всяка секвенция носи дефиниран набор от градивни частици, намиращи се в точно определена последователност. По принцип, тази стъпка може да се осъществи посредством неензимна реакция на полимеризация, където активирани мономери се синтезират химически върху матрица от нуклеинови киселини. За съжаление, практически този подход е изключително неефективен за подпомагане синтеза на ДНК библиотеки, съдържащи функционалнообогатени елементи. Поради този проблем, учените се опитват да „преработят“ централната догма на биологията, така че информацията, съхраняваща се в ДНК, да бъде преведена със същата последователност, но в синтетични полимери с остатъци, напълно наподобяващи аминокиселините в белтъците.

Разбери повече за БГ Наука:

***

В списанието Nature Chemistry, екип от изследователи, ръководени от Дейвид Лиу, представят изкуствена транслационна система, която позволява синтезирането и еволюцията на високофункционални полимери от нуклеинови киселини (ВФПНК, англ. highly functionalized nucleic acid polymers, HFNAPs). Тази вдъхновена от природата система предлага елегантно решение на този проблем в синтетичната биология – как да се синтезират изкуствени полимери от нуклеинови киселини, когато желаните градивни елементи не са субстрат за полимераза. За тази цел, екипът създава свой собствен генетичен код, състоящ се от 5‘‑фосфорилирани ДНК тринуклеотиди, където първата нуклеотидна позиция е с модифициран остатък. Конструирани са общо 32 кодона за осем различни остатъка (по 4 кодона за всеки остатък). Групата от осем елемента включва разнообразие от химични групи, много от които не се срещат в белтъците. С прилагането на кодони като мономерни градивни елементи, фагова Т3-ДНК-лигаза се използва за преноса на ДНК информацията във ВФПНК чрез свързването на кодоните един за друг в последователност, определена от ДНК матрицата. За да се завърши репликационният цикъл, ВФПНК биват отделени от своите матрични ДНК вериги, и след пречистването им биват обратно превърнати в комплементарна ДНК (кДНК) посредством ензима Q5-ДНК-полимераза. Тази обратна транслация позволява възобновяването на изходната ДНК матрица чрез копирането на функционалнообогатени секвенции обратно в техните кодиращи кДНК вериги.

С прибавянето на допълнителна селективна стъпка по време на амплификацията в репликационния цикъл, ВФПНК могат да се развият до желаните свойства, като например способността да се свържат с белтъчен таргет. Използването на този подход е добре онагледен чрез ин витро селекцията на ВФПНК срещу терапевтичните таргети PCSK9 (ензим) и IL-6 (белтък, участващ в клетъчното сигнализиране), и двата от които са отговорни за заболявания при човека. Последващото развитие на високоактивни PCSK9 видове довело до изолирането на PCSK9-Evo5, който възпрепятства свързването на PCSK9 със своя LDL рецептор (англ. low density lipoprotein, LDL; бълг. липопротеин с ниска плътност). Лиу и колеги отбелязват, че инхибиторният ефект на PCSK9-Evo5 е сходен с този на познатото моноклонално антитяло, неутрализиращо PCSK9; предполага се, че е възможно един ден ВФПНК да се използват за потискането на вредните ефекти вследствие на завишени стойности на ендогенни белтъци, отговорни за заболявания при човека. Екипът от учени също така показва, че тази ДНК платформа сама по себе си не предотвратява свързването на PCSK9 с LDL, от което следва, че фенотипните ефекти на PCSK9-Evo5 се дължат на прецизната подредба на функционалните групи в матричната ДНК.

Въпреки че Лиу и колеги не дават отговор на основния въпрос, дали ВФПНК могат да повишат функционалните свойства на естествената ДНК, изследванията им са подкрепени от публикацията относно пептидно-модифицирана ДНК като показват, че високофункционалните нуклеинови киселини са податливи на Дарвиновата еволюция. Тази първа важна стъпка осигурява методологията, която ще даде отговори на тези фундаментални въпроси за химичното пространство, съдържащо полимери с неестествен произход. Докато тези изследваният продължават, е възможно да станем свидетели на подобрения във функцията на ВФПНК, както и възникването на ВФПНК катализатори. Подобни изследвания имат потенциала да доведат до ензимна активност, която не би могла да се постигне с нуклеинови киселини – или дори белтъци – тъй като ВФПНК не са ограничени само до функционалните групи, срещащи се в природата. Други области, които си струва да бъдат изследвани, включват откриването структурата на ин витро разработени ВФПНК рецептори, свързани с техните белтъчни таргети. Въпреки тези предизвикателства, повече информация около структурата би била полезна да се изясни механизма на свързване и да се насърчава откриването на нови ВФПНК с дори по-висока функционална активност. Докато тези изследвания продължават, ВФПНК със сигурност ще изяснят много от отдавна съществуващите въпроси относно еволюционния потенциал на функционалнообогатени секвенции. Тези постижения биха довели до създаването на следващо поколение рецептори, катализатори и материали с бъдещи приложения в областта на синтетичната биология, биомедицината и материалознанието.

Превод: Росица Дуева

Източник: Nature

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!