Ученые обнаружили, что синтетические основания d5SICS и dNaM, используемые для увеличения количества оснований ДНК с четырех, встречающихся в природе во всех организмах, до шести, также делают клетки настолько чувствительными к почти видимому ультрафиолетовому свету, что этот свет становится токсичным для клеток.
«Индуцированная светом химия этих синтетических оснований имеет высокий потенциал повреждения ДНК и других биомолекул в клетке», – сказал Карлос Креспо-Эрнандес, доцент химии и главный исследователь исследования.
Исследователи предупреждают, что солнечный свет и даже освещение в лаборатории могут вызывать побочные фототоксические эффекты, которые ограничивают жизнеспособность клеток и могут привести к генетическим мутациям. Но команда также нашла потенциальный способ воспользоваться другими вредными эффектами: в раковых клетках кожи, несущих синтетическую основу d5SICS, воздействие ультрафиолетового света, близкого к видимому, значительно уменьшало распространение рака.
Исследование было недавно опубликовано в Журнале Американского химического общества.
Креспо-Эрнандес начал это исследование после того, как узнал, что Флойд Ромесберг, профессор Исследовательского института Скриппса, создал первый известный полусинтетический организм, который включил и воспроизвел шестибуквенный генетический алфавит.
Ромесберг расширил ДНК в модифицированном штамме бактерий Escherichia coli, добавив d5SICS·пара оснований dNaM.
Поскольку в организме теперь шесть оснований вместо четырех, он потенциально может производить белки и пептиды, которые не могут быть произведены естественным путем. Работа Ромесберга была названа одним из главных научных достижений 2014 года журналом Science, получив премию «Выбор народа» за научный прорыв №1 года.
Креспо-Эрнандес быстро понял, что синтетические основы могут вызывать фототоксичность в клетках. Одно из направлений его лаборатории – фотохимия природных оснований ДНК, а также модифицированных оснований, проявляющих индуцированную светом токсичность и потенциально способных лечить рак.
Он пригласил аспиранта Марвина Поллума возглавить расследование. Поллум и студент-исследователь Бреннан Эшвуд из его группы первоначально использовали современную лазерную систему, чтобы «наблюдать», как d5SICS и dNaM справляются с энергией, поглощаемой из почти видимого ультрафиолетового света.
«Синтетические основы не могут избавиться от лишней энергии», – сказал Поллум. По его словам, большая часть энергии по существу захвачена и вместо этого может вызывать химические реакции и / или генерировать активные формы кислорода (АФК), которые, как известно, повреждают биомолекулы и ДНК.
Поллум отправил образцы Штеффену Джокушу, младшему научному сотруднику химического факультета Колумбийского университета, который обнаружил, что синтетические основы производят большое количество АФК, называемого синглетным кислородом, – в 100 раз больше, чем произведено наиболее реактивным природным основанием. под ультрафиолетом.
Ультрафиолетовый свет может повредить естественные основания в ДНК, но у клеток есть механизмы для восстановления большей части повреждений. Чтобы проверить, что происходит в клетках, содержащих синтетическую основу d5SICS, Поллум объединился с Мин Лам, доцентом кафедры медицины в Case Western Reserve.
Они включали постепенно увеличивающиеся количества основания d5SICS в линию клеток рака кожи.
Поллум подвергал половину клеток почти видимому ультрафиолетовому свету с длинами волн от 350 до 410 нанометров. Через три дня клетки, лишенные синтетической основы, и клетки с синтетической основой, но не экспонированные на свету, не показали разницы в присутствии или пролиферации АФК.
Но клетки, несущие синтетическую основу и подвергшиеся воздействию света, показали больше АФК и значительно меньшую пролиферацию. Чем выше концентрация d5SICS среди этих клеток, тем меньше клетки пролиферируют после короткого периода воздействия света.