Kilka miliardów lat temu cztery cząsteczki zatańczyły w eleganckiej strukturze podwójnej helisy DNA, która zapewnia kody życia na naszej planecie. Ale czy ci czterej gracze naprawdę mieli fundamentalne znaczenie dla pojawienia się życia - czy też inni mogliby również dać początek naszemu kodowi genetycznemu?
Nowe badanie, opublikowane dzisiaj (20 lutego) w czasopiśmie Science, potwierdza tę ostatnią propozycję: naukowcy niedawno uformowali nowy rodzaj DNA w elegancką strukturę podwójnej helisy i stwierdzili, że ma on właściwości, które mogłyby podtrzymywać życie.
Ale jeśli naturalne DNA to krótka historia, to syntetyczne DNA jest powieścią Tołstoja.
Naukowcy stworzyli syntetyczne DNA przy użyciu czterech dodatkowych cząsteczek, dzięki czemu powstały produkt miał kod złożony z ośmiu liter zamiast czterech. Wraz ze wzrostem liczby liter to DNA miało znacznie większą zdolność do przechowywania informacji. Naukowcy nazwali nowe DNA „hachimoji” - co oznacza „osiem liter” w języku japońskim - rozwijając poprzednią pracę z różnych grup, które utworzyły podobne DNA przy użyciu sześciu liter.
Pisanie kodu
Naturalne DNA składa się z czterech cząsteczek, zwanych zasadami azotowymi, które łączą się ze sobą, tworząc kod życia na Ziemi: A wiąże się z T; G wiąże się z C. DNA Hachimoji obejmuje te cztery naturalne zasady, a także cztery inne syntetycznie wytworzone zasady nukleotydowe: P, B, Z i S.
Grupa badawcza, która obejmowała kilka różnych zespołów w USA, stworzyła setki tych podwójnych helis Hachimoji z różnymi kombinacjami naturalnych i syntetycznych par zasad nukleotydowych. Następnie przeprowadzili serię eksperymentów, aby sprawdzić, czy różne podwójne helisy mają właściwości potrzebne do podtrzymywania życia.
Naturalne DNA ma cechę charakterystyczną, której nie wydaje się mieć żadna inna cząsteczka genetyczna: jest stabilna i przewidywalna. Oznacza to, że naukowcy mogą dokładnie obliczyć, jak będzie się zachowywać w określonych temperaturach i środowiskach, w tym także w przypadku degradacji.
Okazuje się jednak, że badacze byli w stanie to zrobić również z DNA Hachimoji - mogli wymyślić zestaw reguł, które mogą przewidywać stabilność DNA, gdy jest on wystawiony na działanie różnych temperatur.
Wymagania na całe życie
Odkrycie, że możliwe jest dodanie czterech syntetycznych zasad i uzyskanie „kodu, który jest przewidywalny i programowalny… to po prostu bezprecedensowe” - powiedział Floyd Romesberg, profesor chemii w Scripps Research w Kalifornii, który nie był częścią badania, ale który wcześniej opublikowane badania dotyczące wcześniejszego sześcioliterowego kodu. Ten „przełomowy artykuł” sugeruje, że G, C, A i T „nie są wyjątkowe”, powiedział Romesberg na żywo dla Science.
Starszy autor Steven Benner,zgodził się wybitny pracownik Fundacji Stosowanej Ewolucji Molekularnej na Florydzie. Jeśli gdzieś we wszechświecie życie jest również zakodowane w DNA, nie będzie „dokładnie takie, jakie mamy tutaj na Ziemi”, powiedział Benner Live Live. „Bardzo przydatne są takie eksperymenty w laboratorium, aby zrozumieć, jakie alternatywne struktury”.
Benner zauważył jednak, że tworzenie DNA przechowującego informacje nie wystarczy. Musi także mieć możliwość przekazywania tej informacji do swojego siostrzanego molekuły RNA, aby RNA mógł następnie poinstruować białka, aby przeprowadzały całą działalność w organizmie.
Mając to na uwadze, naukowcy opracowali syntetyczne enzymy - białka ułatwiające reakcję - które z powodzeniem skopiowały DNA Hachimoji do RNA Hachimoji. Co więcej, odkryli, że cząsteczka RNA była w stanie złożyć się w kształt litery L, który byłby niezbędny do dalszego przekazywania informacji.
Ponadto nici DNA muszą być zdolne do skręcania w tę samą trójwymiarową strukturę - słynną podwójną helisę.
Zespół stworzył trzy struktury krystaliczne DNA Hachimoji, każda z różnymi sekwencjami ośmiu par zasad, i stwierdził, że rzeczywiście każda z nich tworzy klasyczną podwójną helisę.
Benner powiedział jednak, że aby DNA Hachimoji mogło podtrzymywać życie, istnieje piąty warunek. Oznacza to, że musi być samowystarczalny lub mieć zdolność przetrwania na własną rękę. Jednak naukowcom nie udało się zbadać tego kroku, aby nie dopuścić, aby cząsteczka stała się zagrożeniem biologicznym, które może pewnego dnia dotrzeć do genomów organizmów na Ziemi.
Rozszerzające się słownictwo
Oprócz migotliwych alternatyw dla życia w kosmosie, ta ośmioliterowa nić DNA ma również zastosowanie na naszej planecie. Ośmioliterowy alfabet genetyczny będzie przechowywać więcej informacji i dokładniej wiązać się z określonymi celami, powiedział Benner. Na przykład DNA Hachimoji można wykorzystać do wiązania się z komórkami raka wątroby lub toksyn wąglika lub przyspieszyć reakcje chemiczne.
„Zwiększając liczbę liter z sześciu do ośmiu, znacznie wzrasta różnorodność sekwencji DNA”, Ichiro Hirao, syntetyczny biolog molekularny w Instytucie Bioinżynierii i Nanotechnologii, A * STAR w Singapurze, który również nie był częścią badania , powiedział w e-mailu. (Zespół Hirao był jednak również zaangażowany w poprzednie badania, które stworzyły sześcioliterowe nici DNA)
Oczywiście „to tylko pierwsza demonstracja” ośmioliterowej podwójnej helisy DNA, a do praktycznego zastosowania musimy poprawić dokładność i wydajność replikacji i transkrypcji do RNA, powiedział Hirao w e-mailu. Wyobraża sobie, że w końcu mogą być w stanie zbudować jeszcze więcej liter.
