Традиционная ДНК состоит из четырех пар оснований A, C, G и T. Но недавно созданная генетическая система упакована восемью — вдвое больше, чем обычно встречается в самореплицирующихся молекулах. Новая система получила название «хатимодзи», и что самое интересное — она может быть похожа на строительные блоки внеземной жизни, то есть инопланетян. Новое исследование, опубликованное на днях в Science, описывает хатимодзи, что означает «восемь букв» на японском.
В дополнение к четырем базовым парам, эта генетическая система обладает четырьмя строительными блоками, что существенным образом увеличивает плотность информации по сравнению с обычным ДНК. Ученые, представившие работу, говорят, что новая система может быть достаточно надежной, чтобы поддерживать жизнь — то есть, поддерживать процессы, необходимые для дарвиновского самовоспроизводства.
Инопланетная ДНК из восьми букв
Сразу проясним, что хатимодзи — это не автономный самоподдерживающийся организм. Скорее, это модель альтернативной генетической структуры, необходимой для поддержания самовоспроиводящейся жизни. На Земле исключительно РНК и ДНК выполняют эту функцию, но это не значит, что других вариантов в космосе не может существовать. В действительности, астробиологи очень заинтересовались этим исследованием, поскольку оно демонстрирует другой возможный механизм, из которого могла бы возникнуть, эволюционировать и обрасти сложностями жизнь.
Авторы исследования не утверждают, что хатимодзи существует по всей Вселенной, однако считают, что можно взять и «вообразить параллельные процессы», говорит Эндрю Эллингтон, соавтор нового исследований и синтетический биолог из Университета Техаса, штат Остин. «Тщательно анализируя роли формы, размера и структуры в ДНК хатимодзи, в этой работе мы расширяем наше понимание типов молекул, которые могли бы хранить информацию о внеземной жизни в инопланетных мирах».
В обычной РНК и ДНК комбинация четырех базовых пар оснований позволяет хранить и передавать генетическую информацию. Эти четыре строительных блока ДНК, или нуклеотиды, состоят из аденина, цитозина, гуанина и тимина, или просто A, C, G и T. В РНК T заменяется урацилом (U). Базовые основания кодируют аминокислоты, фундаментальные строительные блоки белков.
Предыдущие исследования позволили создать синтетическую ДНК с четырьмя альтернативными буквами в общей сложности и системой с двумя дополнительными базовыми парами (всего шесть), однако в последнем исследовании ученые увеличили это число до восьми.
Четыре новых буквы, P, B, Z и S, примерно похожи по структурам и функциональности на обычную ДНК, согласно новому исследованию; P и B пуриноподобны по функции, а Z и S — пиримидин-подобные. В тестах генетическая система показала способность хранить и передавать информацию, по сути имитируя молекулярное поведение обычной четырехбуквенной ДНК. Что важно, хатимодзи также удовлетворяет требованиям Шрёдингера, которые определяют дарвиновскую систему молекулярной эволюции (того самого Шрёдингера, у которого кот ни жив, ни мертв). Шрёдингер описал четыре требования эволюции: хранение информации, передача, структурная целостность и различимая физическая форма или структура.
«ДНК хатимодзи может делать все, что делает ДНК для поддержания жизни. Она предсказуемо образует пары, а правила диктуют ее стабильность. ДНК хатимодзи может быть скопирована с созданием РНК хатимодзи, может синтезировать белки напрямую. РНК хатимодзи может иметь селективный фенотип (физическую структуру), а в этом эксперименте и зеленое флуоресцентное свечение».
Лори Гейз, исполняющая обязанности директора Отдела науки о планетах NASA, высоко оценила исследование: «Обнаружение жизни становится все более важное целью миссий NASA по планетарным наукам, и эта новая работа поможет разработать эффективные инструменты и эксперименты, которые расширят диапазон нашего поиска».
«Это исследование важно, поскольку ДНК всегда считалась уникальной. К примеру, ДНК — это единственный материал, с которым мы можем проектировать последовательности с предсказуемой стабильностью», говорит Флойд Ромесберг, генетик из Института Скриппса, а также автор исследования с шестью синтетическими парами. «И как показал Стив Беннер, его новые четыре буквы также удовлетворяют всем аспектам этой предсказуемой стабильности. Хотя были намеки на то, что и другие вещи, помимо четырех природных букв ДНК, могут иметь такой свойство, эта работа впервые действительно демонстрирует это».
Ромесберг также говорит, что важное применение восьмибуквенного алфавита заключается в контроле молекулярных ассоциаций, то есть способности программировать конфигурацию нуклеотидов. Восьмибуквенный алфавит, по его словам, по своей сути более конкретный, чем четырехбуквенный.
«Однако это будет бесполезно, если стабильность восьмибуквенного алфавита не предсказуема или не программируема», говорит Ромесберг. «Продемонстрировав это, Стив открыл новые применения, которые наверняка появятся в его лаборатории скоро».
Результаты работы могут привести не только к астробиологическим последствиям, но и оставить след в реальном мире — к примеру, улучшить диагностическое оборудование, мониторинг окружающей среды (вроде обнаружения опасных вирусов), привести к появлению альтернативного хранения информации, белкам с добавленными аминокислотами и новым инновационным лекарствам.