Pierwsze żywe organizmy z nowymi 'literami' w DNA

Dotąd wiedzieliśmy, że w 2-niciowych kwasach nukleinowych adenina tworzy parę komplementarną z tyminą (A-T), a cytozyna z guaniną (C-G). Teraz badacze z Instytutu Badawczego Ellen Scripps zaprezentowali pałeczki okrężnicy (Escherichia coli), u których poza dwiema znanymi parami A-T i C-G występuje też trzecia, całkiem nowa. Gdy zapewni się stały dopływ budulca, bakterie będą replikować półsyntetyczne DNA.

To pokazuje, że możliwe są inne sposoby przechowywania informacji i przybliża nas, oczywiście, do rozszerzonej biologii DNA, która będzie mieć wiele fascynujących zastosowań: od nowych leków po nowe rodzaje nanotechnologii - podkreśla prof. Floyd E. Romesberg.

Laboratorium Romesberga od końca lat 90. XX w. szukało cząsteczek, które mogłyby utworzyć odpowiednik funkcjonalnej pary zasad. Zadanie nie należało do łatwych, bo musiały one wykazywać powinowactwo porównywalne do A-T i C-G. Poza tym nowa para musiałaby się stabilnie osadzać wraz z naturalnymi nukleotydami w łańcuchu DNA. Warunkiem koniecznym była również łatwość rozłączania i łączenia - jednym słowem podatność na działania polimeraz w czasie replikacji. Jak wyjaśniają Amerykanie, "obcy" musieli też jakoś uniknąć usunięcia przez naturalne mechanizmy naprawcze DNA.

Mimo wielu wyzwań do 2008 r. ekipie Romesberga udało się poczynić spore postępy. W opublikowanym wtedy raporcie ujawniono zestaw cząsteczek nukleozydowych, które mogły się przyłączać do podwójnej helisy DNA niemal tak samo dobrze jak naturalne pary zasad. Dodatkowo zademonstrowano, że DNA zawierające syntetyczne pary może się replikować w obecności właściwych enzymów. W kolejnym studium naukowcy znaleźli enzymy przeprowadzające syntezę RNA na matrycy półsyntetycznego DNA. Na tym etapie wiedziano, że wszystko przebiega dobrze w warunkach in vitro, wielkim wyzwaniem było jednak sprawienie, by pary zasad działały w o wiele bardziej złożonym środowisku żywej komórki - wyjaśnia Denis A. Malyshev.

W ramach najnowszego studium zespół zsyntetyzował plazmid i wprowadził go do komórek E. coli. Występowały w nim zarówno naturalne pary A-T i C-G, jak i najlepiej sprawująca się para laboratorium Romesberga: cząsteczki d5SICS i dNaM. Celem było, by komórki E. coli replikowały półsyntetyczne DNA tak normalnie, jak to tylko możliwe.

Uprzedzając zarzuty dot. ryzyka uwolnienia nowych form życia, Amerykanie wyjaśniają, że materiały do uzyskania d5SICS i dNaM nie występują naturalnie w komórkach. Aby więc pałeczki okrężnicy replikowały DNA z nienaturalnymi parami, naukowcy musieli umieszczać odpowiednie substancje w roztworze na zewnątrz komórki. Konieczne też było znalezienie transportera trójfosforanów nukleozydów (natrafiono na niego u pewnego gatunku mikroglonów).

Kiedy zatrzymaliśmy napływ trójfosforanów do komórki, zastępowanie d5SICS–dNaM naturalnymi parami zasad korelowało z samą replikacją komórki - nie wydaje się, by istniały jakieś dodatkowe mechanizmy ich wycinania z DNA - opowiada Malyshev, dodając, że by opisywane zjawisko w ogóle zaszło, trzeba aktywować transportujące białko. Gdy nie ma transportera lub materiałów budulcowych, komórka powraca do A, T, G i C, a d5SICS i dNaM znikają z genomu.

Kolejnym krokiem będzie opisanie transkrypcji rozszerzonego alfabetu DNA na RNA. W zasadzie możemy zakodować nowe białka wytwarzane z nowych, niewystępujących w naturze aminokwasów [...] - podsumowuje Romesberg.

para zasad półsyntetyczne DNA nukleotyd pałeczki okrężnicy Escherichia coli d5SICS dNaM trójfosforan nukleozydu transporter Floyd E. Romesberg Denis A. Malyshev