Τι θα γινόταν αν μπορούσαμε να προσθέσουμε περισσότερα γράμματα σε αυτό το αλφάβητο και να δημιουργήσουμε νέα είδη DNA;

Αυτό έκανε μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο, το Ίδρυμα Εφαρμοσμένης Μοριακής Εξέλιξης και το Ινστιτούτο Βιολογικών Μελετών Salk. Κατάφεραν, δηλαδή, να αναπτύξουν μία νέα έκδοση DNA με έξι γράμματα αντί για τέσσερα, δείχνοντας ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή πρωτεϊνών.

Αυτό το επίτευγμα, που δημοσιεύτηκε στο Nature Communications, ανοίγει πόρτες σε ένα μέλλον όπου οι ειδικά σχεδιασμένες πρωτεΐνες και οι νέες βιολογικές εφαρμογές θα μπορούσαν να γίνουν πραγματικότητα.

Τέσσερα νουκλεοτίδια

Το DNA κωδικοποιεί τις οδηγίες του χρησιμοποιώντας μόνο τέσσερα νουκλεοτίδια - αδενίνη (Α), θυμίνη (Τ), γουανίνη (G) και κυτοσίνη (C). Αυτά τα νουκλεοτίδια ζευγαρώνουν σε συγκεκριμένες διαμορφώσεις, σχηματίζοντας το σπιράλ που βλέπουμε στις απεικονίσεις. Τι θα γινόταν όμως αν αυτό το αλφάβητο μπορούσε να επεκταθεί; Ένα τέτοιο ενδεχόμενο θα μπορούσε να φέρει επανάσταση με εφαρμογές από την εξατομικευμένη ιατρική έως τα επαναστατικά υλικά.

«Η ζωή στη Γη είναι εκπληκτικά ποικιλόμορφη με μόλις τέσσερα νουκλεοτίδια, οπότε φανταστείτε τι θα μπορούσαμε να κάνουμε με περισσότερα», είπε ο Dong Wang, Ph.D., καθηγητής στη Σχολή Φαρμακευτικής και Φαρμακευτικών Επιστημών Skaggs στο UC San Diego και ανώτερος συγγραφέας της μελέτης.

«Με την επέκταση του γενετικού κώδικα, θα μπορούσαμε να δημιουργήσουμε νέα μόρια που δεν έχουμε δει ποτέ πριν και να εξερευνήσουμε νέους τρόπους παραγωγής πρωτεϊνών ως θεραπευτικά μέσα» πρόσθεσε.

Ο Wang και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν ένα συνθετικό σύστημα DNA που ονομάζεται AEGIS, το οποίο σημαίνει Τεχνητά Διευρυμένο Σύστημα Γενετικών Πληροφοριών. Το AEGIS δημιουργήθηκε από τον Steven A. Benner, PhD, στο Ίδρυμα Εφαρμοσμένης Μοριακής Εξέλιξης, ως μέρος ενός project που χρηματοδοτείται από τη NASA και διερευνά πώς θα μπορούσε να έχει εξελιχθεί η ζωή σε άλλους πλανήτες.

Ο Δρ Dong Wang περιγράφει εύστοχα ότι η προσθήκη νέων «γραμμάτων» στον γενετικό κώδικα διευρύνει το λεξιλόγιο της ζωής, επιτρέποντάς μας να γράφουμε πιο σύνθετες αφηγήσεις. Η ανακάλυψη της ομάδας του δείχνει ότι τα κύτταρα μπορούν εύκολα να ενσωματώσουν συνθετικά νουκλεοτίδια στη «συνταγή» του DNA.

Χρησιμοποιώντας το AEGIS

Το AEGIS προσθέτει δύο νέα γράμματα στο τυπικό αλφάβητο του DNA, το οποίο αποτελείται από αδενίνη (Α), θυμίνη (Τ), γουανίνη (G) και κυτοσίνη (C). Αυτά τα γράμματα συνδυάζονται με συγκεκριμένο τρόπο για να σχηματίσουν τη δομή διπλής έλικας του DNA, η οποία ανακαλύφθηκε από τους James Watson και Francis Crick το 1953.

Τα νέα γράμματα, Z και P, έχουν το ίδιο σχήμα και μέγεθος με τα φυσικά, ώστε να μπορούν να χωρέσουν στο σπιράλ του DNA χωρίς να διαταράξουν τη γεωμετρία του. Αυτό σημαίνει ότι τα ένζυμα που διαβάζουν και αντιγράφουν το DNA, όπως η RNA πολυμεράση, μπορούν να αναγνωρίσουν και να επεξεργαστούν το AEGIS DNA ακριβώς όπως το φυσικό DNA.

RNA πολυμεράση

Το κλειδί βρίσκεται στη μίμηση των μηχανών της φύσης. Οι ερευνητές αναγνώρισαν την RNA πολυμεράση, ένα βασικό ένζυμο που μετατρέπει το DNA σε RNA, το οποίο στη συνέχεια χρησιμοποιείται για την παραγωγή πρωτεϊνών. Σχεδίασαν δύο τεχνητά νουκλεοτίδια που μιμούνται άψογα τη γεωμετρία των φυσικών νουκλεοτιδίων. Η RNA πολυμεράση αποδέχτηκε εύκολα αυτές τις νέες προσθήκες.

Οι ερευνητές εξέτασαν εάν η RNA πολυμεράση από βακτήρια θα μπορούσε να μεταγράψει το DNA του AEGIS σε RNA και διαπίστωσαν ότι θα μπορούσε να το κάνει με υψηλή ακρίβεια και αποτελεσματικότητα. «Αυτή είναι μια αξιοσημείωτη απόδειξη του πόσο εύρωστος και προσαρμόσιμος είναι ο βιολογικός μηχανισμός», είπε ο Wang. «Μιμούμενοι το φυσικό σχήμα του DNA, τα συνθετικά μας γράμματα μπορούν να εισχωρήσουν κρυφά και να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή νέων πρωτεϊνών», πρόσθεσε.