Προστέθηκαν νέα γράμματα στο γενετικό αλφάβητο

Το DNA αποθηκεύει τον γενετικό μας κώδικα σε μια κομψή διπλή έλικα. Κάποιοι όμως υποστηρίζουν ότι αυτή η κομψότητα είναι υπερεκτιμημένη. «Το DNA ως μόριο έχει πολλά πράγματα στραβά με αυτό», είπε ο Στίβεν Μπένερ, οργανικός χημικός στο Ίδρυμα Εφαρμοσμένης Μοριακής Εξέλιξης στη Φλόριντα.

Πριν από σχεδόν 30 χρόνια, ο Μπένερ σκιαγράφησε καλύτερες εκδοχές τόσο του DNA όσο και του χημικού ξαδέλφου του RNA, προσθέτοντας νέα γράμματα και άλλες προσθήκες που θα διεύρυναν το ρεπερτόριό τους με χημικά επιτεύγματα. Αναρωτήθηκε γιατί αυτές οι βελτιώσεις δεν έχουν συμβεί σε ζωντανά πλάσματα. Η φύση έχει γράψει ολόκληρη τη γλώσσα της ζωής χρησιμοποιώντας μόνο τέσσερα χημικά γράμματα:G, C, A και T. Μήπως ο γενετικός μας κώδικας εγκαταστάθηκε σε αυτά τα τέσσερα νουκλεοτίδια για κάποιο λόγο; Ή μήπως αυτό το σύστημα ήταν μία από τις πολλές δυνατότητες, που επιλέχθηκε από απλή τύχη; Ίσως η επέκταση του κώδικα θα μπορούσε να τον βελτιώσει.

Οι πρώτες προσπάθειες του Benner να συνθέσει νέα χημικά γράμματα απέτυχαν. Αλλά με κάθε λάθος αρχή, η ομάδα του έμαθε περισσότερα για το τι κάνει ένα καλό νουκλεοτίδιο και απέκτησε καλύτερη κατανόηση των ακριβών μοριακών λεπτομερειών που κάνουν το DNA και το RNA να λειτουργούν. Οι προσπάθειες των ερευνητών προχώρησαν αργά, καθώς έπρεπε να σχεδιάσουν νέα εργαλεία για να χειριστούν το εκτεταμένο αλφάβητο που έχτιζαν. «Έπρεπε να δημιουργήσουμε ξανά, για το τεχνητά σχεδιασμένο DNA μας, όλη τη μοριακή βιολογία που χρειάστηκε 4 δισεκατομμύρια χρόνια για να δημιουργήσει η εξέλιξη για το φυσικό DNA», είπε ο Benner.

Τώρα, μετά από δεκαετίες δουλειάς, η ομάδα του Benner έχει συνθέσει τεχνητά ενισχυμένο DNA που λειτουργεί σαν το συνηθισμένο DNA, αν όχι καλύτερα. Σε δύο δημοσιεύσεις στο Journal of the American Chemical Society Τον περασμένο μήνα, οι ερευνητές έδειξαν ότι δύο συνθετικά νουκλεοτίδια που ονομάζονται P και Z ταιριάζουν άψογα στην ελικοειδή δομή του DNA, διατηρώντας το φυσικό σχήμα του DNA. Επιπλέον, οι αλληλουχίες DNA που ενσωματώνουν αυτά τα γράμματα μπορούν να εξελιχθούν ακριβώς όπως το παραδοσιακό DNA, μια πρώτη φορά για ένα διευρυμένο γενετικό αλφάβητο.

Τα νέα νουκλεοτίδια υπερτερούν ακόμη και των φυσικών ομολόγων τους. Όταν προκλήθηκαν να εξελιχθεί ένα τμήμα που δεσμεύεται επιλεκτικά με καρκινικά κύτταρα, οι αλληλουχίες DNA που χρησιμοποιούν P και Z τα πήγαν καλύτερα από εκείνες χωρίς.

«Όταν συγκρίνετε το αλφάβητο των τεσσάρων νουκλεοτιδίων και των έξι νουκλεοτιδίων, η έκδοση των έξι νουκλεοτιδίων φαίνεται να έχει κερδίσει», δήλωσε ο Andrew Ellington, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, στο Austin, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. P>

Ο Μπένερ έχει υψηλούς στόχους για τα συνθετικά του μόρια. Θέλει να δημιουργήσει ένα εναλλακτικό γενετικό σύστημα στο οποίο οι πρωτεΐνες - περίπλοκα διπλωμένα μόρια που εκτελούν βασικές βιολογικές λειτουργίες - δεν είναι απαραίτητες. Ίσως, ο Benner προτείνει, αντί για το τυπικό μας σύστημα τριών συστατικών DNA, RNA και πρωτεϊνών, η ζωή σε άλλους πλανήτες να εξελίχθηκε με μόνο δύο.

Καλύτερα σχεδιαγράμματα για τη ζωή

Η πρωταρχική δουλειά του DNA είναι να αποθηκεύει πληροφορίες. Η αλληλουχία των γραμμάτων του περιέχει τα σχέδια για την οικοδόμηση πρωτεϊνών. Το σημερινό μας αλφάβητο τεσσάρων γραμμάτων κωδικοποιεί 20 αμινοξέα, τα οποία ενώνονται για να δημιουργήσουν εκατομμύρια διαφορετικές πρωτεΐνες. Αλλά ένα αλφάβητο έξι γραμμάτων θα μπορούσε να κωδικοποιεί έως και 216 πιθανά αμινοξέα και πολλές, πολλές ακόμη πιθανές πρωτεΐνες.

Το γιατί η φύση κόλλησε με τέσσερα γράμματα είναι ένα από τα θεμελιώδη ερωτήματα της βιολογίας. Οι υπολογιστές, τελικά, χρησιμοποιούν ένα δυαδικό σύστημα με δύο μόνο «γράμματα» — 0 και 1. Ωστόσο, δύο γράμματα πιθανώς δεν είναι αρκετά για να δημιουργήσουν τη σειρά των βιολογικών μορίων που συνθέτουν τη ζωή. "Αν έχετε έναν κωδικό δύο γραμμάτων, περιορίζετε τον αριθμό των συνδυασμών που λαμβάνετε", δήλωσε ο Ramanarayanan Krishnamurthy, χημικός στο Ινστιτούτο Ερευνών Scripps στη La Jolla της Καλιφόρνια.

Από την άλλη πλευρά, πρόσθετα γράμματα θα μπορούσαν να κάνουν το σύστημα πιο επιρρεπές σε σφάλματα. Οι βάσεις DNA έρχονται σε ζεύγη — Ζεύγη G με C και A ζεύγη με T. Είναι αυτή η σύζευξη που προσδίδει στο DNA την ικανότητα να μεταδίδει γενετικές πληροφορίες. Με ένα μεγαλύτερο αλφάβητο, κάθε γράμμα έχει περισσότερες πιθανότητες να συνδυαστεί με τον λάθος συνεργάτη και νέα αντίγραφα DNA μπορεί να φιλοξενούν περισσότερα λάθη. "Αν περάσετε τα τέσσερα, γίνεται πολύ δυσκίνητο", είπε ο Κρισναμούρθυ.

Αλλά ίσως τα πλεονεκτήματα ενός μεγαλύτερου αλφαβήτου μπορεί να αντισταθμίσουν τα πιθανά μειονεκτήματα. Το DNA έξι γραμμάτων θα μπορούσε να συσσωρευτεί πυκνά σε γενετικές πληροφορίες. Και ίσως το RNA έξι γραμμάτων θα μπορούσε να αναλάβει ορισμένες από τις εργασίες που χειρίζονται τώρα οι πρωτεΐνες, οι οποίες εκτελούν το μεγαλύτερο μέρος της εργασίας στο κύτταρο.

Οι πρωτεΐνες έχουν πολύ πιο εύκαμπτη δομή από το DNA και το RNA και είναι ικανές να αναδιπλώνονται σε μια σειρά πολύπλοκων σχημάτων. Μια σωστά διπλωμένη πρωτεΐνη μπορεί να λειτουργήσει ως μοριακή κλειδαριά, ανοίγοντας έναν θάλαμο μόνο για το σωστό κλειδί. Ή μπορεί να λειτουργήσει ως καταλύτης, συλλαμβάνοντας και συγκεντρώνοντας διαφορετικά μόρια για χημικές αντιδράσεις.

Η προσθήκη νέων γραμμάτων στο RNA θα μπορούσε να του δώσει κάποιες από αυτές τις ικανότητες. "Έξι γράμματα μπορούν ενδεχομένως να διπλωθούν σε περισσότερες, διαφορετικές δομές από τέσσερα γράμματα", είπε ο Ellington.

Τότε που ο Μπένερ σκιαγράφιζε ιδέες για εναλλακτικό DNA και RNA, ήταν αυτή η δυνατότητα που είχε στο μυαλό του. Σύμφωνα με την πιο διαδεδομένη θεωρία της προέλευσης της ζωής, το RNA κάποτε εκτελούσε τόσο τη δουλειά αποθήκευσης πληροφοριών του DNA όσο και την καταλυτική εργασία των πρωτεϊνών. Ο Μπένερ συνειδητοποίησε ότι υπάρχουν πολλοί τρόποι για να κάνει το RNA καλύτερο καταλύτη.

«Με αυτές τις μικρές ιδέες, μπόρεσα να γράψω τις δομές που υπάρχουν στο σημειωματάριό μου ως εναλλακτικές λύσεις που θα έκαναν το DNA και το RNA καλύτερα», είπε ο Benner. «Το ερώτημα λοιπόν είναι:Γιατί η ζωή δεν έκανε αυτές τις εναλλακτικές; Ένας τρόπος για να το ανακαλύψουμε ήταν να τα φτιάξουμε μόνοι μας, στο εργαστήριο και να δούμε πώς λειτουργούν.»

Είναι άλλο να σχεδιάζεις νέους κώδικες σε χαρτί και άλλο να τους κάνεις να λειτουργούν σε πραγματικά βιολογικά συστήματα. Άλλοι ερευνητές έχουν δημιουργήσει τις δικές τους προσθήκες στον γενετικό κώδικα, ενσωματώνοντας σε μια περίπτωση ακόμη και νέα γράμματα σε ζωντανά βακτήρια. Αλλά αυτές οι άλλες βάσεις ταιριάζουν λίγο διαφορετικά από τις φυσικές, στοιβάζονται η μία πάνω στην άλλη αντί να συνδέονται η μία δίπλα στην άλλη. Αυτό μπορεί να παραμορφώσει το σχήμα του DNA, ιδιαίτερα όταν ένας αριθμός από αυτές τις βάσεις συγκεντρώνεται μαζί. Το ζεύγος P-Z του Benner, ωστόσο, έχει σχεδιαστεί για να μιμείται τις φυσικές βάσεις.

Ένα από τα νέα έγγραφα της ομάδας του Benner δείχνει ότι το Z και το P συνδέονται μεταξύ τους με τον ίδιο χημικό δεσμό που συνδέει το A με το T και το C με το G. (Αυτός ο δεσμός είναι γνωστός ως ζευγάρωμα Watson-Crick, από τους επιστήμονες που ανακάλυψαν τη δομή του DNA. ) Η Millie Georgiadis, χημικός στο Πανεπιστήμιο Indiana-Purdue University Indianapolis, μαζί με τον Benner και άλλους συνεργάτες, έδειξαν ότι οι κλώνοι DNA που ενσωματώνουν το Z και το P διατηρούν το σωστό ελικοειδές σχήμα τους εάν τα νέα γράμματα είναι αρμονικά μεταξύ τους ή παρεμβάλλονται με φυσικά γράμματα.

«Αυτό είναι πολύ εντυπωσιακό έργο», είπε ο Jack Szostak, χημικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ που μελετά την προέλευση της ζωής και ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Η εύρεση ενός νέου ζεύγους βάσεων που δεν διαταράσσει κατάφωρα τη δομή της διπλής ελικοειδούς δομής του DNA ήταν αρκετά δύσκολη."

Το δεύτερο έγγραφο της ομάδας δείχνει πόσο καλά λειτουργεί το διευρυμένο αλφάβητο. Οι ερευνητές ξεκίνησαν με μια τυχαία βιβλιοθήκη κλώνων DNA που κατασκευάστηκαν από το διευρυμένο αλφάβητο και στη συνέχεια επέλεξαν τους κλώνους που μπορούσαν να συνδεθούν με τα καρκινικά κύτταρα του ήπατος αλλά όχι με άλλα κύτταρα. Από τα 12 επιτυχημένα συνδετικά, τα καλύτερα είχαν Zs και Ps στις ακολουθίες τους, ενώ τα πιο αδύναμα όχι.

«Περισσότερη λειτουργικότητα στις νουκλεοβάσεις έχει οδηγήσει σε μεγαλύτερη λειτουργικότητα στα ίδια τα νουκλεϊκά οξέα», είπε ο Ellington. Με άλλα λόγια, οι νέες προσθήκες φαίνεται να βελτιώνουν το αλφάβητο, τουλάχιστον υπό αυτές τις συνθήκες.

Απαιτούνται όμως πρόσθετα πειράματα για να καθοριστεί πόσο σε γενικές γραμμές είναι αλήθεια. «Πιστεύω ότι θα χρειαστεί περισσότερη δουλειά και πιο άμεσες συγκρίσεις, για να βεβαιωθούμε ότι μια έκδοση με έξι γράμματα οδηγεί γενικά σε «καλύτερα» απταμερή [μικρούς κλώνους DNA] από το DNA τεσσάρων γραμμάτων», είπε ο Szostak. Για παράδειγμα, δεν είναι σαφές εάν το αλφάβητο των έξι γραμμάτων θριάμβευσε επειδή παρείχε περισσότερες επιλογές ακολουθίας ή επειδή ένα από τα νέα γράμματα είναι απλώς καλύτερο στη δέσμευση, είπε ο Szostak.

Ο Μπένερ θέλει να επεκτείνει ακόμη περισσότερο το γενετικό του αλφάβητο, κάτι που θα μπορούσε να ενισχύσει το λειτουργικό του ρεπερτόριο. Εργάζεται για τη δημιουργία ενός συστήματος 10 ή 12 γραμμάτων και σχεδιάζει να μεταφέρει το νέο αλφάβητο σε ζωντανά κύτταρα. Τα συνθετικά μόρια του Benner και άλλων έχουν ήδη αποδειχθεί χρήσιμα σε ιατρικές και βιοτεχνολογικές εφαρμογές, όπως διαγνωστικά τεστ για HIV και άλλες ασθένειες. Πράγματι, το έργο του Μπένερ βοήθησε στην ίδρυση του αναπτυσσόμενου πεδίου της συνθετικής βιολογίας, που επιδιώκει να οικοδομήσει νέα ζωή, εκτός από τον σχηματισμό χρήσιμων εργαλείων από μοριακά μέρη.

Γιατί ο Κώδικας Life είναι περιορισμένος

Η εργασία του Benner και άλλων ερευνητών υποδηλώνει ότι ένα μεγαλύτερο αλφάβητο έχει την ικανότητα να ενισχύει τη λειτουργία του DNA. Γιατί λοιπόν η φύση δεν επέκτεινε το αλφάβητό της στα 4 δισεκατομμύρια χρόνια που χρειάστηκε να το δουλέψει; Θα μπορούσε να οφείλεται στο ότι ένα μεγαλύτερο ρεπερτόριο έχει πιθανά μειονεκτήματα. Ορισμένες από τις δομές που γίνονται δυνατές από ένα μεγαλύτερο αλφάβητο μπορεί να είναι κακής ποιότητας, με μεγαλύτερο κίνδυνο λανθασμένης αναδίπλωσης, είπε ο Ellington.

Η φύση ήταν επίσης ουσιαστικά κλειδωμένη στο σύστημα που υπήρχε όταν ξεκίνησε η ζωή. «Από τη στιγμή που [η φύση] έχει πάρει μια απόφαση σχετικά με το ποιες μοριακές δομές θα τοποθετήσει στον πυρήνα της μοριακής της βιολογίας, έχει σχετικά λίγες ευκαιρίες να αλλάξει αυτές τις αποφάσεις», είπε ο Benner. "Κατασκευάζοντας αφύσικα συστήματα, μαθαίνουμε όχι μόνο για τους περιορισμούς τη στιγμή που εμφανίστηκε για πρώτη φορά η ζωή, αλλά και για τους περιορισμούς που εμποδίζουν τη ζωή να αναζητήσει ευρέως μέσα στη φαντασία της χημείας."

Ο Benner στοχεύει να κάνει μια διεξοδική έρευνα αυτού του χημικού χώρου, χρησιμοποιώντας τις ανακαλύψεις του για να δημιουργήσει νέες και βελτιωμένες εκδόσεις τόσο του DNA όσο και του RNA. Θέλει να κάνει το DNA καλύτερο στην αποθήκευση πληροφοριών και το RNA καλύτερο στην κατάλυση αντιδράσεων. Δεν έχει δείξει άμεσα ότι τα ζεύγη βάσεων P-Z το κάνουν αυτό. Αλλά και οι δύο βάσεις έχουν τη δυνατότητα να βοηθήσουν το RNA να αναδιπλωθεί σε πιο πολύπλοκες δομές, οι οποίες με τη σειρά τους θα μπορούσαν να κάνουν τις πρωτεΐνες καλύτερους καταλύτες. Το P έχει ένα μέρος για να προσθέσει μια «λειτουργική ομάδα», μια μοριακή δομή που βοηθά στην αναδίπλωση και βρίσκεται συνήθως στις πρωτεΐνες. Και το Ζ έχει μια νίτρο ομάδα, η οποία θα μπορούσε να βοηθήσει στη μοριακή σύνδεση.

Στα σύγχρονα κύτταρα, το RNA δρα ως ενδιάμεσος μεταξύ του DNA και των πρωτεϊνών. Αλλά ο Benner ελπίζει τελικά να δείξει ότι το σύστημα τριών βιοπολυμερών - DNA, RNA και πρωτεΐνες - που υπάρχει καθ 'όλη τη διάρκεια της ζωής στη Γη δεν είναι απαραίτητο. Με καλύτερα σχεδιασμένα DNA και RNA, λέει, ίσως οι πρωτεΐνες δεν είναι απαραίτητες.

Πράγματι, το σύστημα τριών βιοπολυμερών μπορεί να έχει μειονεκτήματα, καθώς οι πληροφορίες ρέουν μόνο με έναν τρόπο, από το DNA στο RNA στις πρωτεΐνες. Εάν μια μετάλλαξη DNA παράγει μια πιο αποτελεσματική πρωτεΐνη, αυτή η μετάλλαξη θα εξαπλωθεί αργά, καθώς οι οργανισμοί χωρίς αυτήν τελικά πεθαίνουν.

Τι θα γινόταν αν η πιο αποτελεσματική πρωτεΐνη μπορούσε να εξαπλωθεί με άλλο τρόπο, δημιουργώντας απευθείας νέο DNA; Το DNA και το RNA μπορούν να μεταδώσουν πληροφορίες και προς τις δύο κατευθύνσεις. Έτσι, μια χρήσιμη μετάλλαξη RNA θα μπορούσε θεωρητικά να μετατραπεί σε ευεργετικό DNA. Οι προσαρμογές θα μπορούσαν επομένως να οδηγήσουν άμεσα σε αλλαγές στον γενετικό κώδικα.

Ο Benner προβλέπει ότι ένα σύστημα δύο βιοπολυμερών θα εξελισσόταν ταχύτερα από το δικό μας σύστημα τριών βιοπολυμερών. Αν ναι, αυτό θα μπορούσε να έχει επιπτώσεις στη ζωή σε μακρινούς πλανήτες. "Αν βρούμε ζωή αλλού", είπε, "θα είχε πιθανότατα το σύστημα δύο βιοπολυμερών."