Η ζωή με μεγαλύτερους γενετικούς κώδικες φαίνεται πιθανή - αλλά λιγότερο πιθανή

Όσο πολύ ποικιλόμορφη κι αν είναι η ζωή στη Γη - είτε πρόκειται για ένα τζάγκουαρ που κυνηγά ένα ελάφι στον Αμαζόνιο, μια ορχιδέα που σπειροειδώς γύρω από ένα δέντρο στο Κονγκό, πρωτόγονα κύτταρα που αναπτύσσονται σε βρασμένες ιαματικές πηγές στον Καναδά ή ένας χρηματιστής που πίνει καφέ στη Wall Street- σε γενετικό επίπεδο, όλα παίζουν με τους ίδιους κανόνες. Τέσσερα χημικά γράμματα, ή βάσεις νουκλεοτιδίων, συλλαβίζουν 64 «λέξεις» τριών γραμμάτων που ονομάζονται κωδικόνια, καθένα από τα οποία αντιπροσωπεύει ένα από τα 20 αμινοξέα. Όταν τα αμινοξέα ενώνονται μεταξύ τους σύμφωνα με αυτές τις κωδικοποιημένες οδηγίες, σχηματίζουν τις πρωτεΐνες που είναι χαρακτηριστικές για κάθε είδος. Με λίγες μόνο ασαφείς εξαιρέσεις, όλα τα γονιδιώματα κωδικοποιούν πληροφορίες πανομοιότυπα.

Ωστόσο, σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε τον περασμένο μήνα στο eLife , μια ομάδα ερευνητών στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης και στο Πανεπιστήμιο του Γέιλ έδειξε ότι είναι δυνατό να τροποποιήσουμε έναν από αυτούς τους διαχρονικούς κανόνες και να δημιουργήσουμε έναν πιο εκτεταμένο, εντελώς νέο γενετικό κώδικα που βασίζεται σε μεγαλύτερες λέξεις κωδικονίων. Κατ' αρχήν, η ανακάλυψή τους δείχνει έναν από τους πολλούς τρόπους επέκτασης του γενετικού κώδικα σε ένα πιο ευέλικτο σύστημα που θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν οι συνθετικοί βιολόγοι για να δημιουργήσουν κύτταρα με νέες βιοχημείες που παράγουν πρωτεΐνες που δεν υπάρχουν πουθενά στη φύση. Αλλά η εργασία έδειξε επίσης ότι ένας εκτεταμένος γενετικός κώδικας παρεμποδίζεται από τη δική του πολυπλοκότητα, καθίσταται λιγότερο αποτελεσματικός και ακόμη και εκπληκτικά λιγότερο ικανός με κάποιους τρόπους – περιορισμοί που υποδηλώνουν γιατί η ζωή μπορεί να μην ευνόησε αρχικά τα μεγαλύτερα κωδικόνια.

Δεν είναι βέβαιο τι σημαίνουν αυτά τα ευρήματα για το πώς θα μπορούσε να κωδικοποιηθεί η ζωή αλλού στο σύμπαν, αλλά υπονοεί ότι ο δικός μας γενετικός κώδικας εξελίχθηκε ώστε να μην είναι ούτε πολύ περίπλοκος ούτε πολύ περιοριστικός, αλλά σωστά – και στη συνέχεια κυβερνούσε τη ζωή για δισεκατομμύρια χρόνια μετά ως αυτό που ο Φράνσις Κρικ αποκάλεσε «παγωμένο ατύχημα». Η φύση επέλεξε αυτόν τον κώδικα Goldilocks, λένε οι συγγραφείς, επειδή ήταν απλός και επαρκής για τους σκοπούς της, όχι επειδή άλλοι κώδικες ήταν ανέφικτοι.

Για παράδειγμα, με κωδικόνια τεσσάρων γραμμάτων (τετραπλάσια), υπάρχουν 256 μοναδικές δυνατότητες, όχι μόνο 64, που μπορεί να φαίνονται επωφελείς για τη ζωή, επειδή θα άνοιγε ευκαιρίες να κωδικοποιηθούν πολύ περισσότερα από 20 αμινοξέα και μια αστρονομικά πιο διαφοροποιημένη σειρά πρωτεϊνών. Προηγούμενες μελέτες συνθετικής βιολογίας, ακόμη και μερικές από αυτές τις σπάνιες εξαιρέσεις στη φύση, έδειξαν ότι μερικές φορές είναι δυνατό να αυξηθεί ο γενετικός κώδικας με μερικά τετραπλά κωδικόνια, αλλά μέχρι τώρα, κανείς δεν έχει ασχοληθεί ποτέ με τη δημιουργία ενός εξ ολοκλήρου τετραπλού γενετικού συστήματος για να δει πώς συγκρίνεται με το κανονικό τρίδυμο κωδικονίου.

«Αυτή ήταν μια μελέτη που έθεσε αυτό το ερώτημα πολύ ειλικρινά», είπε η Erika Alden DeBenedictis, η κύρια συγγραφέας της νέας εργασίας, η οποία ήταν διδακτορική φοιτήτρια στο MIT κατά τη διάρκεια του έργου και επί του παρόντος είναι μεταδιδακτορική στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον.

Επέκταση στη φύση

Για να δοκιμάσουν έναν γενετικό κώδικα τετραπλού κωδικονίου, η DeBenedictis και οι συνεργάτες της έπρεπε να τροποποιήσουν μερικές από τις πιο θεμελιώδεις βιοχημείες της ζωής. Όταν ένα κύτταρο παράγει πρωτεΐνες, αποσπάσματα από τις γενετικές του πληροφορίες μεταγράφονται πρώτα σε μόρια αγγελιαφόρου RNA (mRNA). Τα οργανίδια που ονομάζονται ριβοσώματα διαβάζουν στη συνέχεια τα κωδικόνια σε αυτά τα mRNA και τα ταιριάζουν με τα συμπληρωματικά «αντι-κωδικόνια» στα μόρια RNA μεταφοράς (tRNA), καθένα από τα οποία φέρει ένα μοναδικά καθορισμένο αμινοξύ στην ουρά του. Τα ριβοσώματα συνδέουν τα αμινοξέα σε μια αναπτυσσόμενη αλυσίδα που τελικά αναδιπλώνεται σε μια λειτουργική πρωτεΐνη. Μόλις ολοκληρωθεί η εργασία τους και μεταφραστεί η πρωτεΐνη, τα mRNA αποικοδομούνται για ανακύκλωση και τα χρησιμοποιημένα tRNA επαναφορτώνονται με αμινοξέα από τα ένζυμα συνθετάσης.

Οι ερευνητές τροποποίησαν τα tRNA στο Escherichia coli βακτήρια να έχουν τετραπλά αντικωδικόνια. Μετά την υποβολή των γονιδίων του E. coli σε διάφορες μεταλλάξεις, εξέτασαν εάν τα κύτταρα μπορούσαν να μεταφράσουν με επιτυχία έναν τετραπλό κώδικα και εάν μια τέτοια μετάφραση θα προκαλούσε τοξικές επιδράσεις ή ελαττώματα φυσικής κατάστασης. Διαπίστωσαν ότι όλα τα τροποποιημένα tRNA θα μπορούσαν να συνδεθούν με τετραπλή κωδικόνια, τα οποία έδειξαν ότι «δεν υπάρχει τίποτα βιοφυσικά λάθος στο να γίνει μετάφραση με αυτό το μεγαλύτερο μέγεθος κωδικονίου», είπε ο DeBenedictis.

Αλλά ανακάλυψαν επίσης ότι οι συνθετάσες αναγνώρισαν μόνο εννέα από τα 20 από τα τετραπλή αντικωδικόνια, επομένως δεν μπορούσαν να επαναφορτίσουν τα υπόλοιπα με νέα αμινοξέα. Το να έχεις εννέα αμινοξέα που μπορούν να μεταφραστούν με ένα τετραπλό κωδικόνιο σε κάποιο βαθμό είναι «και πολύ και λίγο», είπε ο DeBenedictis. «Είναι πολλά αμινοξέα για κάτι που η φύση δεν χρειάζεται ποτέ για να λειτουργήσει». Αλλά είναι λίγο γιατί η αδυναμία μετάφρασης 11 βασικών αμινοξέων περιορίζει αυστηρά το χημικό λεξιλόγιο με το οποίο πρέπει να παίξει η ζωή.

Επιπλέον, πολλές από τις μεταφράσεις του τετραπλού κώδικα ήταν εξαιρετικά αναποτελεσματικές και μερικές ήταν ακόμη και επιζήμιες για την ανάπτυξη του κυττάρου. Χωρίς ένα σημαντικό πλεονέκτημα φυσικής κατάστασης, είναι πολύ απίθανο η φύση να είχε επιλέξει έναν πιο περίπλοκο κωδικό, ειδικά όταν είχε καταλήξει σε έναν κώδικα εργασίας, είπε ο DeBenedictis. Οι συγγραφείς κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ο λόγος για τον οποίο η φύση δεν επέλεξε έναν τετραπλό κώδικα δεν ήταν επειδή δεν ήταν εφικτός, αλλά επειδή ο κώδικας τριπλής ήταν απλός και επαρκής. Εξάλλου, ακόμα κι αν η ζωή χρειαζόταν να επεκτείνει το ρεπερτόριό της με 20 αμινοξέα, υπάρχει ακόμα πολύς χώρος στα υπάρχοντα 64 κωδικόνια για να το κάνει.

Τα τριπλέτα κωδικόνια λειτουργούν καλά στη Γη, αλλά δεν είναι σαφές αν αυτό θα ίσχυε αλλού - η ζωή στον κόσμο μπορεί να διαφέρει σημαντικά στη χημεία ή στην κωδικοποίησή της. Ο γενετικός κώδικας είναι «προφανώς παράγωγος και υποτελής της βιοχημείας των πεπτιδίων» που απαιτούνται για να λειτουργήσει η ζωή, είπε ο Ντρου Έντι, αναπληρωτής καθηγητής βιομηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και πρόεδρος του Ιδρύματος BioBricks, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. Σε περιβάλλοντα πιο πολύπλοκα από τη Γη, η ζωή μπορεί να χρειαστεί να κωδικοποιηθεί από τετραπλά κωδικόνια, αλλά σε πολύ απλούστερες ρυθμίσεις, η ζωή μπορεί να περάσει με απλά διπλά κωδικόνια — δηλαδή, φυσικά, αν χρησιμοποιεί καθόλου κωδικόνια.

Ο παγιωμένος διαγωνισμός

Ανεξάρτητα από το πώς κωδικοποιείται η ζωή στον πλανήτη μας ή σε άλλους, ο πραγματικός αντίκτυπος του χαρτιού είναι ότι τώρα γνωρίζουμε ότι είναι «απόλυτα δυνατό να φτιάξουμε έναν οργανισμό με τετρακώδικα» και τα ευρήματα δείχνουν ότι θα είναι απλό, είπε ο Έντι. Με μια μελέτη, είναι σχεδόν στα μισά του δρόμου για να το πετύχουν, πρόσθεσε, το οποίο είναι «ένα απείρως εκπληκτικό επίτευγμα».

Δεν συμφωνούν όλοι ότι η δημιουργία μιας πλήρους μορφής ζωής με τετραπλή κωδικοποίηση θα είναι απλή. "Δεν νομίζω ότι τίποτα που δείχνουν να υποδηλώνει ότι θα είναι εύκολο - αλλά δείχνουν ότι δεν είναι αδύνατο και αυτό είναι ενδιαφέρον", δήλωσε ο Floyd Romesberg, ένας συνθετικός βιολόγος που συνίδρυσε την εταιρεία βιοτεχνολογίας Synthorx. Το να αποκτήσετε κάτι που δεν λειτουργεί καλά για να λειτουργήσει καλύτερα είναι ένα "πολύ, πολύ διαφορετικό παιχνίδι" από το να προσπαθείτε να κάνετε το αδύνατο.

Το πόση προσπάθεια θα χρειαστεί για να λειτουργήσει καλά ένας αληθινός τετραπλός κώδικας είναι ένα ανοιχτό ερώτημα, είπε ο DeBenedictis. Πιστεύει επίσης ότι πιθανότατα θα χρειαστεί να ανασχεδιάσετε μεγάλο μέρος του μεταφραστικού μηχανήματος για να δουλέψετε καλά με έναν μεγαλύτερο κώδικα. Αυτή και η ομάδα της ελπίζουν να φέρουν τη δουλειά τους στο επόμενο επίπεδο προσθέτοντας μια επιπλέον «ουρά» στα κατασκευασμένα tRNA, έτσι ώστε να αλληλεπιδρούν με ένα σύνολο ριβοσωμάτων που έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν μόνο με αυτά. Αυτό μπορεί να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα της μετάφρασης μειώνοντας τον ανταγωνισμό με οποιεσδήποτε πτυχές κωδικοποίησης τριπλής του συστήματος.

Η υπέρβαση του ανταγωνισμού από τον κώδικα τριπλέτας θα είναι πάντα μια μεγάλη πρόκληση, πρόσθεσε, επειδή λειτουργεί ήδη τόσο καλά.