Ученые переосмыслили представление о ДНК, научившись создавать ее «с нуля»

Фото из открытых источников

Ученые обнаружили, что ДНК-полимеразы способны создавать длинные, структурированные участки нового генетического материала без какого-либо шаблона для копирования. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Это открытие позволяет по-новому взглянуть на давно известное, но упускаемое из виду явление, рассматривая его как потенциальный способ построения ДНК на таких уровнях, которых стандартная химия до сих пор не может достичь.

На тысячах нитей ДНК, созданных ферментами самостоятельно, эти последовательности перестали выглядеть случайными и превратились в четкие повторяющиеся узоры.

В Бристольском университете исследователи связали эти закономерности с конкретными ферментами и параметрами реакции, показав, что результат подчиняется узнаваемым правилам.

Эти правила позволили выявить закономерности, варьирующиеся от простых повторов до более сложных структур последовательностей, демонстрируя гораздо большую упорядоченность, чем ученые ранее ожидали от этого процесса.

Поскольку ученые могут направлять формирование узоров таким образом, каким они не могут контролировать шум, это открытие поднимает более глубокий вопрос о том, как работает этот необычный процесс письма.

В нормальных условиях ДНК-полимераза, фермент, который строит ДНК по одной букве за раз, копирует существующую нить. Ученые называют эту способность ДНК-полимераз создавать ДНК без матрицы «рисованием», и первые несколько добавленных единиц ДНК могут способствовать дальнейшему повторению того же рисунка.

Изменения температуры и доступного количества строительных блоков ДНК определяют, какие именно фрагменты фермент добавляет следующими, создавая различные повторяющиеся структуры. Эта обратная связь объясняет, почему продукты образуют закономерности, а не совершенно случайные цепочки генетического материала.

Современные методы построения ДНК лучше всего работают с короткими фрагментами, поскольку каждый дополнительный шаг увеличивает вероятность возникновения ошибки.

Даже недавние достижения позволили расширить эти фрагменты лишь до нескольких тысяч единиц ДНК, что показывает, насколько сложной остается задача построения более длинных конструкций.

Напротив, тот же самый процесс без использования матрицы, описанный ранее, позволил получить цепочки ДНК длиной в десятки тысяч единиц за один цикл. Эта разница может иметь значение, когда ученым необходимы длинные участки ДНК для построения генов или управления поведением клеток.

Чтобы понять, что именно производили эти ферменты, команда использовала метод, который считывает ДНК путем обнаружения крошечных электрических сигналов, когда каждая единица проходит через датчик.

Такой подход позволил им отслеживать целые цепочки ДНК от начала до конца, вместо того чтобы разбивать их на более мелкие фрагменты. Помимо этого, они использовали второй инструмент для картирования физической формы нитей ДНК в очень малом масштабе.

Сочетание последовательности и формы позволило получить более ясное представление о том, что производили ферменты и как формировались эти длинные нити ДНК.

Как только закономерности стали очевидны, исследователи попытались стимулировать реакцию, а не просто наблюдать за ней. Изменение температуры влияло на скорость добавления букв, что, в свою очередь, меняло баланс повторяющихся блоков в готовых нитках.

Ограничение реакции всего двумя из четырех строительных блоков ДНК привело к тому, что ферменты стали производить длинные, очень регулярно повторяющиеся участки, некоторые из которых насчитывали более 1000 единиц.

Такая предсказуемая реакция на простые изменения сделала процесс менее случайным и более похожим на то, что ученые могли бы целенаправленно контролировать.

Ученые впервые заметили это явление несколько десятилетий назад, когда ранние эксперименты показали, что некоторые ДНК-полимеразы могут начать синтезировать новую ДНК даже без нити для копирования.

В статье 1960 года был описан один из таких неожиданных продуктов, причем этот эффект был связан всего с двумя буквами ДНК.

«О рисовании с помощью ДНК-полимераз известно уже несколько десятилетий, но до сих пор это в основном считалось курьезом», — сказал Гороховский.

Результаты Бристольского университета изменили эту точку зрения, показав, что исследователи могут составлять карты, сравнивать и корректировать необычные результаты.

Если клетки способны время от времени самостоятельно создавать новые участки ДНК, этот процесс может обеспечить путь для генерации генетического разнообразия. Небольшие повторяющиеся участки могут изменять структуру ДНК или механизмы контроля генов, даже если лежащие в их основе буквы кажутся простыми.

Поскольку новая работа связала условия с конкретными закономерностями, она предоставила исследователям более эффективный способ выяснить, когда могут возникать подобные последовательности.

Эта идея пока остается предварительной для живых клеток, но данное исследование значительно упрощает непосредственную проверку этого вопроса.

Управляемая ферментная система могла бы упростить и удешевить создание длинных участков ДНК, сборка которых в настоящее время является сложной и медленной задачей. В этой области проектируются или воссоздаются живые системы для решения практических задач, и длинные последовательности часто определяют, что могут попытаться сделать исследователи.

«Наша работа показывает, что это настраиваемый процесс, имеющий значение для создания нового генетического материала и обладающий реальным потенциалом для биотехнологий», — сказал Гороховский.

Однако любая практическая платформа должна обеспечивать надежный контроль над ошибками последовательности, распределением длин и нежелательными побочными продуктами. Не каждая длинная линия, нарисованная в виде каракулей, окажется полезной, поскольку повторы могут преобладать, а точный порядок сложно соблюдать.

Генно-модифицированные ферменты могут улучшить этот контроль, однако в этой области по-прежнему необходимы более чистые способы запуска, остановки и проверки каждого продукта. Вопросы безопасности также становятся актуальными, когда ученые переходят от смешанных экспериментальных подходов к разработке биологических компонентов, предназначенных для реального применения.

Эти ограничения удерживают работу на стадии исследований, даже несмотря на то, что основной результат выглядит более практичным, чем раньше. В итоге складывается представление о ДНК-полимеразах не просто как о ферментах копирования, а как о ферментах, способных создавать длинные структурированные фрагменты материала.

В будущих исследованиях потребуется более строгий контроль и более эффективная проверка на наличие ошибок, но уже сейчас полученные результаты расширяют возможности ферментов в плане производства различных продуктов.