С помощью химической модификации сахаридов в молекуле ДНК коллектив американских химиков получил гидрогели, которые позволяют хранить в себе белки без потери их функциональных свойств. Результаты исследования опубликованы в Angewandte Chemie.

Химическая модификация молекул ДНК позволяет изменять их физико-химические свойства, управлять с помощью этого их первичной структурой и контролировать таким образом процессы транскрипции и репликации. Основной проблемой модифицированных ДНК является то, что при репликации (синтезе одной копии молекулы) и амплификации (создании большого количества копий отдельных сегментов молекулы) образуются молекулы ДНК с обычной структурой, а не модифицированной. Частично решить такую проблему удалось при модификации структуры азотистых оснований. Тем не менее, поскольку химическая модификация происходит на уровне отдельных нуклеотидов, то и в этом случае репликация модифицированных молекул часто оказывается затруднена.

Схематическая структура гидрогеля из модифицированных молекул ДНК с инкапсулированными молекулами белка. Romesberg Lab

В своей новой работе американские химики предложили химически модифицировать не азотистые основания, которые отвечают за создание комплементарной связи между двумя цепочками ДНК, а дезоксирибозу — сахарид, который и образует полимерную цепочку. Из пяти атомов углерода, входящих в состав дезоксирибозы, четыре атома заняты: первый связывает азотистое основание, а третий, четвертый и пятый — участвуют в образовании связи с соседними нуклеотидами. Поэтому для того, чтобы не сильно изменялись базовые свойства ДНК, дополнительную химическую группу ученые присоединяли ко второму атому углерода.

До этого ученым уже удавалось получать модифицированные таким образом молекулы ДНК с фторидными и метокси-группами. В данной работе ученые попробовали модифицировать сахарид, добавив туда азидную, хлоридную, гидроксильную или аминогруппу.

Химические структуры модифицированных нуклеозидов в структуре ДНК. T. Chen and F. E. Romesberg / Angewandte Chemie, 2017

Оказалось, что с помощью полимеразной цепной реакции, которая осуществляется особым типом ДНК-полимеразы, из каждого из таких модифицированных нуклеозидов можно синтезировать олигомеры ДНК. Все из синтезированных участков ДНК оказались чувствительны к репликации и амплификации.

Кроме того, ученые смогли использовать нуклеотиды, модифицированные азидогруппой, для получения многосвязных структур. Из нуклеотидов такого состава можно получать два типа элементов с прямой и обратной последовательностями. По механизмам клик-химии эти элементы можно объединять в многосвязные трехмерные полимерные сетки, обладающие свойствами гидрогеля — они могут растягиваться и сжиматься при изменении условий среды.

Схема получения микрогеля ДНК из олигонуклеотидов. T. Chen and F. E. Romesberg / Angewandte Chemie, 2017

Характерно, что такой гидрогель может обратимо образовываться и растворяться в физиологических условиях. Поскольку ДНК можно эффективно связывать с белками, то ученые предложили использовать такую структуру для капсулирования белков без потери их функциональности. В своей работе эффективность такого подхода ученые проверили, инкапсулировав в ДНК-гидрогель молекулу пероксидазы хрена, биохимическая активность которого после высвобождения из гидрогеля сохранилась.

По утверждениям ученых, предложенный гидрогели на основе ДНК можно будет использовать для хранения и работы с большим количеством различных белков.

Клик-химия — совокупность подходов к синтезу сложных химических веществ с помощью скрепления между собой отдельных маленьких элементов. Подобные подходы используются не только для реакций с молекулами ДНК, но и для других полимерных веществ. Например, благодаря такому методу ученым удалось синтезировать сложные супрамолекулярные структуры. Подобный механизм позволяет получать органические кристаллы для солнечных батарей.

Автор: Александр Дубов