Ученые узнали механизм работы ферментов в ходе ферментативного синтеза ДНК

Важный шаг к созданию отечественной технологии безматричного ферментативного синтеза ДНК сделали исследователи Института химической биологии и фундаментальной медицины (ИХБФМ) им. Д. Г. Кнорре СО РАН, 7 октября сообщило издание СО РАН «Наука в Сибири».

Детальное описание молекулярного механизма действия определенных ферментов, выполненное по результатам исследования учеными ИХБФМ СО РАН, поможет в решении ключевой задачи современной синтетической биологии — создании инженерии эффективных биокатализаторов для синтеза протяженных фрагментов ДНК.

В настоящее время синтез длинных молекул ДНК является сложным и трудоемким процессом. Используя химический метод, можно получить цепочку не более чем из 100–150 нуклеотидов. Получить же более длинную последовательность, например полноразмерного гена (около 1000 нуклеотидов) или целого ферментативного каскада (10 000 нуклеотидов), можно только сшиванием большого числа коротких фрагментов. В результате увеличивается вероятность возникновения ошибок, разрывов, что требует проверки и исправления.

Перспективной альтернативой этому методу может стать ферментативный синтез. По такой технологии цепь ДНК наращивают в заданном порядке по одному нуклеотиду, как это и происходит в живой природе, но при этом ученые используют модифицированные строительные блоки. В этом случае длинные молекулы ДНК можно получать за один прием, без сборки из множества предварительно собранных коротких участков.

Эффективность этой технологии обеспечивают специальные катализаторы, которыми служат ферменты класса терминальных нуклеотидилтрансфераз, способные хорошо узнавать и присоединять модифицированные нуклеотиды, обеспечивая пошаговый синтез нуклеиновых кислот заданной последовательности.

Заведующий лабораторией генетических технологий ИХБФМ СО РАН член-корреспондент РАН Никита Кузнецов пояснил цель проведенного исследования:

«Знание механизма действия фермента и особенностей формирования каталитического состояния позволяет целенаправленно проводить инженерию белковой молекулы с целью ускорения определенных стадий взаимодействия. То есть, разобравшись в механизме, мы способны влиять на эффективность действия фермента путем сайт-направленного мутагенеза и химеризации структурно-гомологичных элементов, применяя подходы рационального дизайна».

Ученые продолжают свою работу, адаптируя и тестируя технологию ферментативного синтеза длинных молекул ДНК. Исследователи отмечают, что успех в этой области обеспечивает совместная работа нескольких групп ученых.

Так, биохимики создают эффективный биокатализатор; химики — модифицированные нуклеотиды и твердофазные системы для синтеза, а биотехнологи проводят апробацию и оптимизацию отдельных этапов технологии синтеза.

Данная технология, предоставляющая возможность эффективно получать длинные фрагменты ДНК, позволит создавать искусственные генные конструкции. В будущем они могут использоваться, например, для создания новых метаболических путей, а также вакцин и диагностических систем.

Результаты цикла работ исследователи представили в ряде статей: «Роль гидрофобных взаимодействий активного центра в облегчении катализа терминальной дезоксинуклеотидилтрансферазой человека» (The Role of Active Site Hydrophobic Interactions in Facilitating Catalysis in Human Terminal Deoxynucleotidyl Transferase), опубликованной в журнале Int. J. Mol. Sci; «Координация нуклеозидтрифосфатов в активном центре терминальной дезоксирибонуклеотидилтрансферазы человека при матрица-независимом синтезе ДНК», опубликованной в журнале «Биохимия», 2026, том 91, вып. 1, и «Кинетический анализ связывания dNTP и ДНК с терминальной дезоксинуклеотидилтрансферазой человека в доравновесном состоянии» (Pre-steady-state kinetic analysis of dNTP and DNA binding by human terminal deoxynucleotidyl transferase), опубликованной в International Journal of Biological Macromolecules.