Syntetyczny DNA: Naukowcy znajdują nowe zastosowania sztucznego DNA
KALIFORNIA: Naukowcy zbliżyliśmy się o krok do wykorzystania potencjału syntetyczne DNA. Alfabet genetyczny składa się tylko z czterech liter, które oznaczają cztery nukleotydy, czyli cząsteczki tworzące całe DNA.
Praktyczność tego odkrycia zależy od tego, czy komórki potrafią rozpoznawać i wykorzystywać syntetyczne nukleotydy do wytwarzania białek. Naukowcy od dawna zastanawiają się, czy możliwa jest synteza dodatkowych nukleotydów w laboratorium i dodanie nowych liter do alfabetu.
Obietnica syntetycznego DNA staje się coraz bliższa dzięki badaniom prowadzonym w Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego.
Wyniki, które opublikowano w czasopiśmie Nature Communications, mogą ułatwić badaczom projektowanie unikalnych białek i wytwarzanie nowych leków.
Naukowcy wykazali, że jeden z najważniejszych enzymów w produkcji białek, polimeraza RNA, jest w stanie zidentyfikować i przepisać fałszywą parę zasad dokładnie w taki sam sposób, jak działa to w przypadku naturalnych pary zasad.
„Biorąc pod uwagę różnorodność życia na Ziemi przy zaledwie czterech nukleotydach, możliwości tego, co mogłoby się wydarzyć, gdybyśmy mogli dodać ich więcej, są kuszące” – powiedział starszy autor Dong Wang, doktor nauk humanistycznych, profesor w Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego .
„Rozszerzanie kod genetyczny mogłoby znacznie zróżnicować zakres cząsteczek, które możemy syntetyzować w laboratorium i zrewolucjonizować sposób, w jaki podchodzimy do białek projektowanych jako środków terapeutycznych”.
Wang współprowadził badanie wraz z dr Stevenem A. Bennerem w Foundation for Applied Molecular Evolution i dr Dmitrym Lyumkisem w Salk Institute for Biological Studies.
Cztery nukleotydy tworzące DNA nazywane są adeniną (A), tyminą (T), guaniną (G) i cytozyną (C). W cząsteczce DNA nukleotydy tworzą pary zasad o unikalnej geometrii molekularnej zwanej geometrią Watsona i Cricka, nazwaną na cześć naukowców, którzy w 1953 roku odkryli strukturę podwójnej helisy DNA.
Te pary Watsona i Cricka zawsze tworzą się w tych samych konfiguracjach: AT i CG. Struktura podwójnej helisy DNA powstaje, gdy spotyka się wiele par zasad Watsona i Cricka.
„To niezwykle skuteczny system kodowania informacji biologicznej, dlatego poważne błędy w transkrypcji i tłumaczeniu zdarzają się stosunkowo rzadko” – powiedział Wang.
„Jak się również dowiedzieliśmy, być może uda nam się wykorzystać ten system, używając syntetycznych par zasad, które wykazują tę samą geometrię”.
W badaniu wykorzystano nową wersję standardowego alfabetu genetycznego, zwaną sztucznie rozszerzonym systemem informacji genetycznej (AEGIS), która zawiera dwie nowe pary zasad.
Pierwotnie opracowany przez Bennera, AEGIS powstał jako inicjatywa wspierana przez NASA, mająca na celu próbę zrozumienia, w jaki sposób mogło rozwinąć się życie pozaziemskie.
Izolując enzymy polimerazy RNA z bakterii i testując ich interakcje z syntetycznymi parami zasad, odkryli, że syntetyczne pary zasad z AEGIS tworzą strukturę geometryczną przypominającą geometrię Watsona i Cricka naturalnych par zasad.
Wynik: enzymy dokonujące transkrypcji DNA nie potrafią odróżnić tych syntetycznych par zasad od tych występujących w naturze.
„W biologii struktura determinuje funkcję” – powiedział Wang. „Dostosowując się do podobnej struktury jak standardowe pary zasad, nasze syntetyczne pary zasad mogą wślizgnąć się pod radar i zostać włączone do zwykłego procesu transkrypcji”.
Oprócz poszerzenia możliwości biologii syntetycznej odkrycia potwierdzają także hipotezę wywodzącą się z pierwotnego odkrycia Watsona i Cricka.
Hipoteza ta, zwana hipotezą tautomeru, mówi, że standardowe cztery nukleotydy mogą tworzyć niedopasowane pary w wyniku tautomeryzacji, czyli tendencji nukleotydów do oscylowania pomiędzy kilkoma wariantami strukturalnymi o tym samym składzie.
Uważa się, że zjawisko to jest jednym ze źródeł mutacji punktowych, czyli mutacji genetycznych, które wpływają tylko na jedną parę zasad w sekwencji DNA.
„Tautomeryzacja umożliwia łączenie się nukleotydów w pary, gdy zwykle nie powinno się tego robić” – powiedział Wang.
„Zaobserwowano tautomeryzację błędnych par w procesach replikacji i translacji, ale tutaj przedstawiamy pierwszy bezpośredni dowód strukturalny na to, że tautomeryzacja zachodzi również podczas transkrypcji”.
Naukowcy są następnie zainteresowani sprawdzeniem, czy zaobserwowany tutaj efekt jest spójny w przypadku innych kombinacji syntetycznych par zasad i enzymów komórkowych.
„Jesteśmy podekscytowani możliwością utworzenia multidyscyplinarnego zespołu współpracującego ze Stevem i Dmitrym, który pozwoli nam zająć się molekularnymi podstawami transkrypcji w rozszerzonym alfabecie” – powiedział Wang.
„Oprócz tych, które tutaj przetestowaliśmy, może istnieć wiele innych możliwości dla nowych liter, ale musimy włożyć więcej pracy, aby dowiedzieć się, jak daleko możemy to posunąć”.
Praktyczność tego odkrycia zależy od tego, czy komórki potrafią rozpoznawać i wykorzystywać syntetyczne nukleotydy do wytwarzania białek. Naukowcy od dawna zastanawiają się, czy możliwa jest synteza dodatkowych nukleotydów w laboratorium i dodanie nowych liter do alfabetu.
Obietnica syntetycznego DNA staje się coraz bliższa dzięki badaniom prowadzonym w Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego.
Wyniki, które opublikowano w czasopiśmie Nature Communications, mogą ułatwić badaczom projektowanie unikalnych białek i wytwarzanie nowych leków.
Naukowcy wykazali, że jeden z najważniejszych enzymów w produkcji białek, polimeraza RNA, jest w stanie zidentyfikować i przepisać fałszywą parę zasad dokładnie w taki sam sposób, jak działa to w przypadku naturalnych pary zasad.
„Biorąc pod uwagę różnorodność życia na Ziemi przy zaledwie czterech nukleotydach, możliwości tego, co mogłoby się wydarzyć, gdybyśmy mogli dodać ich więcej, są kuszące” – powiedział starszy autor Dong Wang, doktor nauk humanistycznych, profesor w Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego .
„Rozszerzanie kod genetyczny mogłoby znacznie zróżnicować zakres cząsteczek, które możemy syntetyzować w laboratorium i zrewolucjonizować sposób, w jaki podchodzimy do białek projektowanych jako środków terapeutycznych”.
Wang współprowadził badanie wraz z dr Stevenem A. Bennerem w Foundation for Applied Molecular Evolution i dr Dmitrym Lyumkisem w Salk Institute for Biological Studies.
Cztery nukleotydy tworzące DNA nazywane są adeniną (A), tyminą (T), guaniną (G) i cytozyną (C). W cząsteczce DNA nukleotydy tworzą pary zasad o unikalnej geometrii molekularnej zwanej geometrią Watsona i Cricka, nazwaną na cześć naukowców, którzy w 1953 roku odkryli strukturę podwójnej helisy DNA.
Te pary Watsona i Cricka zawsze tworzą się w tych samych konfiguracjach: AT i CG. Struktura podwójnej helisy DNA powstaje, gdy spotyka się wiele par zasad Watsona i Cricka.
„To niezwykle skuteczny system kodowania informacji biologicznej, dlatego poważne błędy w transkrypcji i tłumaczeniu zdarzają się stosunkowo rzadko” – powiedział Wang.
„Jak się również dowiedzieliśmy, być może uda nam się wykorzystać ten system, używając syntetycznych par zasad, które wykazują tę samą geometrię”.
W badaniu wykorzystano nową wersję standardowego alfabetu genetycznego, zwaną sztucznie rozszerzonym systemem informacji genetycznej (AEGIS), która zawiera dwie nowe pary zasad.
Pierwotnie opracowany przez Bennera, AEGIS powstał jako inicjatywa wspierana przez NASA, mająca na celu próbę zrozumienia, w jaki sposób mogło rozwinąć się życie pozaziemskie.
Izolując enzymy polimerazy RNA z bakterii i testując ich interakcje z syntetycznymi parami zasad, odkryli, że syntetyczne pary zasad z AEGIS tworzą strukturę geometryczną przypominającą geometrię Watsona i Cricka naturalnych par zasad.
Wynik: enzymy dokonujące transkrypcji DNA nie potrafią odróżnić tych syntetycznych par zasad od tych występujących w naturze.
„W biologii struktura determinuje funkcję” – powiedział Wang. „Dostosowując się do podobnej struktury jak standardowe pary zasad, nasze syntetyczne pary zasad mogą wślizgnąć się pod radar i zostać włączone do zwykłego procesu transkrypcji”.
Oprócz poszerzenia możliwości biologii syntetycznej odkrycia potwierdzają także hipotezę wywodzącą się z pierwotnego odkrycia Watsona i Cricka.
Hipoteza ta, zwana hipotezą tautomeru, mówi, że standardowe cztery nukleotydy mogą tworzyć niedopasowane pary w wyniku tautomeryzacji, czyli tendencji nukleotydów do oscylowania pomiędzy kilkoma wariantami strukturalnymi o tym samym składzie.
Uważa się, że zjawisko to jest jednym ze źródeł mutacji punktowych, czyli mutacji genetycznych, które wpływają tylko na jedną parę zasad w sekwencji DNA.
„Tautomeryzacja umożliwia łączenie się nukleotydów w pary, gdy zwykle nie powinno się tego robić” – powiedział Wang.
„Zaobserwowano tautomeryzację błędnych par w procesach replikacji i translacji, ale tutaj przedstawiamy pierwszy bezpośredni dowód strukturalny na to, że tautomeryzacja zachodzi również podczas transkrypcji”.
Naukowcy są następnie zainteresowani sprawdzeniem, czy zaobserwowany tutaj efekt jest spójny w przypadku innych kombinacji syntetycznych par zasad i enzymów komórkowych.
„Jesteśmy podekscytowani możliwością utworzenia multidyscyplinarnego zespołu współpracującego ze Stevem i Dmitrym, który pozwoli nam zająć się molekularnymi podstawami transkrypcji w rozszerzonym alfabecie” – powiedział Wang.
„Oprócz tych, które tutaj przetestowaliśmy, może istnieć wiele innych możliwości dla nowych liter, ale musimy włożyć więcej pracy, aby dowiedzieć się, jak daleko możemy to posunąć”.
