Nowy „alfabet” DNA – czy podstawy genetyki legną w gruzach?

Naukowcom udało się otrzymać bakterię Escherichia coli z wbudowaną do materiału genetycznego syntetyczną

"parą zasad". Osiągnięcie otwiera zupełnie nowy szlak możliwości manipulacji materiałem genetycznym, a co za

tym idzie, również cechami określonych komórek bądź organizmów.

Uzyskana zmodyfikowana bakteria E. coli zawiera tylko jedną parę syntetycznych zasad wśród milionów

wchodzących w skład jej genomu. Naukowcy mówią jednak, że ich zdaniem możliwe jest uzyskanie komórek

posiadających w pełni syntetyczne DNA. Stworzenie takiego organizmu będzie gigantycznym wyzwaniem chociażby

ze względu na setki zintegrowanych procesów zachodzących w komórce.

Jak to osiągnąć?

Dla przeciętnego człowieka, wprowadzenie do ściśle zdefiniowanego i znanego od setek lat uniwersalnego układu

DNA zbudowanego z dwóch par komplementarnych względem siebie zasad azotowych – guaniny (G) i cytozyny (C)

oraz adeniny (A) i tyminy (T), wydaje się niemożliwe. Zespół naukowców z Instytutu Badawczego Ellen Scripps

podjął jednak taką próbę, która po 15 latach zakończyła się sukcesem.

Wszystko zaczęło się od opracowania listy 60 chemicznych kandydatów na "nowe zasady DNA" oraz analizy

potencjalnych 3600 oddziaływań pomiędzy nimi. Potrzebne były dwie cząsteczki, między którymi powstaną

interakcje o sile zbliżonej do oddziaływań między naturalnymi parami zasad azotowych. Zbyt słabe wiązanie

zaburzałoby bowiem strukturę podwójnej nici DNA, natomiast zbyt silne uniemożliwiałoby "rozplątanie" tej formy

podczas transkrypcji. "Zwycięzcami", po wielu analizach, zostały cząsteczki znane jako d5SICS oraz dNAM. Dalsze

badania wykazały, że para ta jest rozpoznawana również przez enzymy zaangażowane w szeroko rozumianą

replikację DNA. W kolejnych etapach znaleziono enzymy przeprowadzające syntezę RNA na matrycy

półsyntetycznego DNA. Wszystkie analizy prowadzone były jednak do tej pory na poziomie probówki, a więc

niezależnie od skomplikowanych mechanizmów obecnych w żywej komórce.

Dlatego też, uzyskanie zmodyfikowanego materiału genetycznego, który podlega procesom enzymatycznym

stanowiło dopiero początek. Kolejnym krokiem było uzyskanie komórek zdolnych do przyjęcia obcych par zasad.

Ważne było również, aby organizm nie rozpoznawał wprowadzonych celowo zmian jako mutacji i nie poddawał ich

procesowi "naprawy" już podczas pierwszych rund replikacji. Poszukiwania stosunkowo łatwego modelu

genetycznego doprowadziły do wyboru bakterii E. coli. Przyjęcie przez komórkę obcego DNA uzyskano dzięki

wykorzystaniu genu pochodzącego od

jednokomórkowej algi. Gen ten koduje białko umożliwiające transport pożądanych cząsteczek przez błonę

bakteryjną.

Po uzyskaniu kompetentnych bakterii E. coli utworzono plazmid zawierający jedną parę syntetycznych zasad, który

wprowadzono do komórek. Analiza rund replikacji DNA wykazała, że komórka tak długo utrzymuje w swojej

sekwencji "obce" cząsteczki, dopóki ma dostęp do ich źródła, sama bowiem nie jest w stanie ich syntetyzować. W

przypadku braku "obcych nukleotydów" w otoczeniu zostają one zamienione na naturalne i dochodzi do rewersji

modyfikacji.

Po co to wszystko?

Okrzyknięta jednogłośnie przełomem praca jest krokiem w kierunku otrzymywania komórek zdolnych do syntezy

leków czy innych przydatnych cząsteczek. Grupa z Instytutu Badawczego Ellen Scripps nadal pracuje nad

zmodyfikowanym DNA, kodującym białka zbudowane z aminokwasów innych niż znane do tej pory. Dodanie dwóch

‘liter do alfabetu DNA’ stwarza bowiem możliwość ogromnych zmian w obrębie kodonów warunkujących

sekwencję białek. Jak obrazowo wyjaśnia lider zespołu: "Jeśli czytasz książkę, która została napisana z czterech

liter, to nie będziesz w stanie wyczytać wielu ciekawych opowieści. Jeśli wykorzysta się więcej liter, można

wymyślać nowe słowa, można znaleźć nowe sposoby wykorzystania tych słów i prawdopodobnie można

opowiedzieć więcej ciekawych historii."

Potencjalne zastosowania technologii obejmują więc m.in. wprowadzenie do sekwencji białka toksycznego

aminokwasu powodującego, że białko to będzie lekiem przeciwnowotworowym, czy opracowanie świecących

aminokwasów umożliwiających mikroskopowe śledzenie wielu reakcji biologicznych.

Same zalety, czy też zagrożenie?

Prace nad modyfikacjami genetycznymi zawsze budzą emocje. Autorzy "obcej bakterii", uprzedzając zarzuty o

potencjalnej możliwości uwolnienia się i braku kontroli nad nowymi formami życia poza laboratorium informują, że

surowce niezbędne do otrzymania d5SICS oraz dNAM nie występują naturalnie w komórkach. Do replikowania

sztucznych par w obrębie DNA niezbędne jest zatem dostarczenie materiałów wyjściowych oraz transportera, który

umożliwia ich przenikanie do wnętrza komórki. W przeciwnym wypadku dochodzi do zastępowania d5SICS i dNAM

naturalnymi zasadami azotowymi.

Wydaje się więc, że z badaniami tego typu należy wiązać raczej nadzieje niż obawy. Warto zastanowić się jednak,

czy nie zbliżamy się do kolejnej granicy, której przekroczenie może poskutkować nieodwracalnymi zmianami w

znanym nam do tej pory świecie.