Красота и мощь природного генетического аппарата, скрытые в двуцепочечной спирали ДНК, уже давно вдохновляли ученых на эксперименты по созданию искусственных молекул по образу и подобию материальной основы наследственности. Такие попытки осуществлялись уже не раз, так как простор для действия ученых довольно широк.
Во-первых, рукотворные изменения могут затронуть только так называемую скелетную часть ДНК, состоящую из молекул моносахарида дезоксирибозы, соединенных фосфодиэфирными мостиками. Такие синтетические эксперименты учёные уже проводили, что привело к созданию так называемых пептидных нуклеиновых кислот (ПНК), трео-фуранозильных нуклеиновых кислот (ТНК) и некоторых других аналогов. Однако эти изменения не затрагивают главных составных частей, из которых создана ДНК, азотистых оснований – аденина, цитозина, тимина, урацила и гуанина, так как целью подобных трансформаций было создание молекул, пригодных для применения в живых организмах – в исследованиях или для лечения генетических аномалий.
Другой стратегией создания искусственных ДНК является замена природных азотистых оснований на синтетические или добавление новых оснований, также способных вступать во взаимодействие по принципу комплементарности.
При формировании молекул химических веществ, их кристаллов, и поликристаллических твердых тел атомы вступают во взаимодействие и связываются между собой при помощи так называемой химической связи. При этом тип этой связи в зависимости от природы атомов и строения конечной молекулы может весьма сильно различаться.
Самый распространенный тип химической связи – это ковалентная связь. Она образуется при помощи неспаренных электронов на валентных электронных орбиталях атомов. При спаривании такие электроны становятся как бы общими для обоих атомов, иными словами они становятся в равной степени распределены между двумя атомами, вступившими во взаимодействие на их общей молекулярной орбитали.
Ионная химическая связь – это крайний случай ковалентной химической связи и образуется тогда, когда во взаимодействие вступают атомы с резко различающейся химической природой. Например, в кристаллах всем известной поваренной соли NaCl химическая связь является чисто ионной. Обусловлена она тем, что атому хлора, уже имеющему на своей валентной электронной оболочке семь электронов, энергетически очень не выгодно делить эти семь электронов с другими атомами. Атому хлора для завершенной восьмиэлектронной оболочки инертного газа достаточно всего лишь одного электрона, который он с легкостью отнимает от атома натрия, с которым единственный валентный электрон связан достаточно слабо. Это свойство атомов химических элементов – электроотрицательность – и обуславливает возникновение ионной химической связи. Чем больше разница в электроотрицательности взаимодействующих атомов, тем более сильно смещена их общая электронная плотность к одному из них, тем больше локальный электрический заряд атомов и тем более ионный характер носит их химическая связь.
К химической связи относится так же и металлическое взаимодействие в объемных металлических материалах. Во всех узлах такой кристаллической решетки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся валентные электроны, отщепившиеся от атомов при образовании ионов. Эти электроны играют роль цемента, удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решетка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решётки и не могут её покинуть. Силы металлической связи не локализованы и не направлены.
Особым типом химической связи является водородная связь. Она является разновидностью невалентного взаимодействия между атомом водорода H, ковалентно связанного с атомом A группы A-H молекулы RA-H и электроотрицательным атомом B другой молекулы (или функциональной группы той же молекулы) BR'. Результатом таких взаимодействий являются комплексы RA-H•••BR различной степени стабильности, в которых атом водорода выступает в роли мостика, связывающего фрагменты RA и BR. Прочность водородной связи сильно зависит от электроотрицательности атомов, вступающих во взаимодействие.
К сожалению, эффективность ДНК ограничена всего двумя комплементарными парами – гуанин-цитозин и аденин-тимин. Создание искусственных аналогов, способных заменить природные компоненты в спиральной молекуле, открыло бы людям куда больше возможностей.
Разумеется, пока что это только фантазии, и эксперимент по получению полностью искусственной молекулы ДНК, описанный в «горячей» статье в Journal of the American Chemical Society, был поставлен японскими учеными по большей части из любопытства. Ну и соображений научного престижа, конечно.
Масахико Инуё и его коллегам удалось создать аналог ДНК, в который входят исключительно искусственные азотистые основания.
Поскольку при этом все «соединительные мосты» между нуклеотидами – дезоксирибоза и остатки фосфорной кислоты – остались прежними, то молекулу эту с полным правом можно называть даже не «аналогом», а ДНК. Поскольку в клеточных ядрах живых организмов ничего подобного не встречается, учёные полагают, что для неё лучше всего подходит термин «искусственная ДНК».
Лаборатория Инуё, работающего в высшей школе фармацевтики при Университете японского города Тояма, взяла за основу свои прежние наработки. В прошлом они уже показали, что гуанин в цепочке ДНК можно легко заменить на соединение «изо-гуанин*», способный вступать в обратимое взаимодействие по механизму водородной связи – трехкратной, как и у гуанина. При подготовке к синтезу полностью искусственной ДНК учёные создали также комплементарный «изо-гуанину*» «изо-цитозин*», «изо-тимин*» и «изо-аденозин*».
«Изо-гуанин*» – одно из производных соединений, общая формула которых может быть представлена, как 2-амино-3Н-пиримидин-4-один.
Комплементарное ему основание, которое ученые обозначили как «изо-цитозин*» может быть построено на основе производных другого соединения – 4-амино-1Н-пиримидин-2-один. От природного цитозина это соединение отличается всего лишь добавлением метильной группы к одному из атомов азота. Однако именно эта метильная группа не позволяет атому вступить во взаимодействие с сахаридом для образования мостиковой связи, а связь эта осуществляется через углеродный атом в цикле. Такого нуклеозида (сочетания азотистого основания и дезоксирибозы) в природной ДНК действительно не встречается, а потому ученые имею полное право считать, что создали искусственный аналог цитозинового нуклеотида.
Аналогичным образом различаются и природный и искусственный тиминовый нуклеозиды, тогда как аденозин в рукотворной ДНК заменен молекулой уже упоминавшегося «изо-гуанина со звездочкой», лишенного карбонильной группы у углеродного атома, входящего в состав пиримидиновго кольца.
Синтезировав на основе этих искусственных азотистых оснований несколько достаточно длинных двуцепочечных последовательностей, ученые сравнили их свойства со свойствами природной цепи.
Близость термодинамических и структурных параметров искусственной и природной ДНК и позволила ученым громко заявить о своем успехе.
Термическая стабильность искусственной ДНК оказалась очень близка к таковой у природного образца, несмотря на замену молекул и изменения соотношения силы взаимодействия нуклеозидов по механизму водородной связи и их стыковке благодаря гидрофильно-гидрофобным взаимодействиям.
Более того, цепочки, построенные только из синтетических заменителей тимина и аденина, проявили способность к формированию тройных спиралей.
Ученые связывают это с особой симметрией молекул и надеются, что в будущем эта экзотическая особенность синтетических азотистых оснований может быть использована в технологических задачах.
Научится ли человек создавать искусственные живые системы на основе собственных ДНК, созданных по воле разума, а не по стечению факторов, зародивших жизнь на земле миллиарды лет назад, – покажет время. Пока же ждем прорыва в нанотехнологии, биохимии и других областях передовой науки, о которых «Газета.Ru» обязательно расскажет.
