DNA przechowuje informacje w czterech kluczowych związkach - guaninie, cytozynie, adeninie i tyminie, powszechnie nazywanych odpowiednio G, C, A i T. W nowych badaniach uczeni podwoili tę liczbę cegiełek życia, tworząc po raz pierwszy syntetyczny, 8-literowy język genetyczny, który wydaje się przechowywać i transkrybować informacje tak jak naturalne DNA.
W DNA są zakodowane wszystkie informacje, które czynią organizmy żywe tym, czym są. Informacje te są „napisane” alfabetem składającym się z zaledwie czterech liter. Naukowcy stworzyli właśnie sztuczne DNA, do którego dodali cztery dodatkowe litery i wydaje się, że syntetyczne DNA zachowuje się tak jak naturalne.
Całe życie na Ziemi jest zbudowane na tych samych podstawach. Te wspomniane wcześniej litery to nukleotydy - cztery zasady azotowe, które są budulcem DNA. Dwie purynowe – adenina i guanina oraz dwie pirymidynowe – cytozyna i tymina. Każdą z tych substancji, dla ułatwienia, oznacza się jedną literką. I tak odpowiednio A – to adenina, T – tymina, C – cytozyna i G, którą oznacza się guaninę. Sposób ich uporządkowania dostarcza organizmom instrukcji do budowania białek.
W badaniu opublikowanym na łamach „Science”, zespół naukowców pod kierunkiem Stevena Bennera, założyciela Foundation for Applied Molecular Evolution sugeruje, że rozszerzony alfabet genetyczny mógłby teoretycznie również wspierać życie.
- To prawdziwy punkt orientacyjny - powiedział Floyd Romesberg ze Scripps Research Institute. - Nie ma nic specjalnego w odniesieniu do tych czterech chemikaliów, które wyewoluowały na Ziemi. To przełom pojęciowy - dodał.
Normalnie, gdy para nici DNA skręca się wokół siebie w podwójnej helisie, związki chemiczne na każdej nici tworzą parę: A wiąże się z T i C wiążą się z G. Badacze od lat próbują dodać więcej par tych związków do kodu genetycznego. W 2017 roku w laboratorium Romesberga rozszerzono alfabet genetyczny o dwie nowe, sztuczne zasady azotowe – d5SICS i dNaM – oznaczone literkami X i Y. Sztuczne zasady wprowadzono do DNA żywej bakterii Escherichii coli, co otworzyło drogę do tworzenia całkiem nowych, syntetycznych białek. Więcej na ten temat w tekście: Naukowcy stworzyli półsyntetyczne życie zdolne do produkcji białek.
Jednak najnowsze badania są pierwszymi, które wykazały, że sztuczne zasady rozpoznają i wiążą się ze sobą oraz że podwójna helisa, którą tworzą, utrzymuje swoją strukturę.
Zespół Bennera stworzył syntetyczne litery poprawiając strukturę molekularną regularnych zasad. Litery DNA łącząc się tworzą wiązania wodorowe. Każda zawiera atomy wodoru, które są przyciągane do atomów azotu lub tlenu u swojego partnera. Bazując na tych zależnościach uczeni stworzyli cztery sztuczne nukleotydy: P, B, Z i S. Mają one taki sam kształt, co naturalne litery DNA, ale zmieniono ich wzorce wiązania.
Uczeni w publikacji opisali, w jaki sposób łączą się te cztery syntetyczne zasady z naturalnymi. Ośmioliterowy kod DNA został przez naukowców nazwany „hachimoji”, co po japoński oznacza słowa „osiem” oraz „litera”.
Naukowcy przeprowadzili serię eksperymentów, które wykazały, że ich sztuczne sekwencje mają wspólne właściwości z naturalnym DNA, które są niezbędne do podtrzymywania życia. Aby działać jako system przechowywania informacji, DNA musi przestrzegać przewidywalnych reguł, tak więc zespół najpierw wykazał, że w podobny sposób do regularnych zasad, syntetyczne zasady formowały solidne pary. Uczeni stworzyli setki cząsteczek syntetycznego DNA i potwierdzili, że litery wiążą się z swoimi partnerami w przewidywalny sposób.
Następnie wykazali, że struktura podwójnej helisy pozostaje stabilna niezależnie od tego, w jakim porządku były syntetyczne zasady. To ważne, ponieważ aby życie ewoluowało, sekwencje DNA muszą być w stanie zmieniać się bez rozpadu całej struktury. Na koniec zespół wykazał, że syntetyczne DNA można wiernie przepisać na RNA, a konwersja DNA w RNA jest kluczowym krokiem w przepisywaniu informacji genetycznej na białka.
- Umiejętność przechowywania informacji nie jest zbyt interesująca dla ewolucji. Trzeba potrafić przenieść te informacje do cząsteczki, która coś robi – zaznaczył Benner.
Badania były finansowane przez NASA. Nie jest to przypadek. Jednym z celów NASA jest poszukiwanie życia na innych planetach, takich jak chociażby Mars, gdzie kiedyś istniała ciekła woda i była gęsta atmosfera czy księżyce zewnętrznego układu słonecznego - Europa i Enceladus, gdzie pod grubymi warstwami lodu znajdują się ogromne oceany. Ta praca rozszerza naszą wiedzę na temat typów molekuł, które mogą służyć jako podstawa życia na innych, nieznanych nam światach. Badania te mogą przełożyć się na skuteczniejsze poszukiwanie życia poza Ziemią.
Dodawanie liter do DNA może mieć także bardziej przyziemne zastosowania. Dzięki tym pracom inni naukowcy mogą potencjalnie tworzyć sekwencje RNA lub DNA, które mogą funkcjonować lepiej niż te naturalne. Na przykład grupa Bennera wykazała, że nici DNA zawierające Z i P lepiej wiążą się z komórkami nowotworowymi niż sekwencje ze standardowymi czterema zasadami.
Ośmioliterowa wersja może też przechowywać więcej informacji. Dzięki niej można tworzyć nowe białka. Zespół Bennera opracował także kolejne pary nowych zasad otwierając możliwość tworzenia struktur DNA zawierających 10 lub nawet 12 liter.
Źródło: Nature, NASA, fot. Indiana University School of Medicine
