Ένα βήμα πιο κοντά στη χρήση τεχνητού DNA για την παραγωγή πρωτεϊνών

Το γενετικό αλφάβητο περιέχει μόνο τέσσερα γράμματα, που αναφέρονται στα τέσσερα νουκλεοτίδια, τα βιοχημικά δομικά στοιχεία του DNA. Οι επιστήμονες αναρωτιόντουσαν εδώ και καιρό εάν είναι δυνατό να προσθέσουν περισσότερα γράμματα σε αυτό το αλφάβητο, δημιουργώντας ολοκαίνουργια νουκλεοτίδια στο εργαστήριο, αλλά η χρησιμότητα αυτής της καινοτομίας εξαρτάται από το αν τα κύτταρα μπορούν πραγματικά να αναγνωρίσουν και να χρησιμοποιήσουν τεχνητά νουκλεοτίδια για την παραγωγή πρωτεϊνών.

Τώρα, ερευνητές της Σχολής Φαρμακευτικής και Φαρμακευτικών Επιστημών Skaggs του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο έφτασαν ένα βήμα πιο κοντά στο να «ξεκλειδώσουν» τις δυνατότητες του τεχνητού DNA.

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η RNA πολυμεράση, ένα από τα σημαντικότερα ένζυμα που εμπλέκονται στη σύνθεση πρωτεϊνών, ήταν σε θέση να αναγνωρίσει και να μεταγράψει ένα τεχνητό ζεύγος βάσεων με τον ίδιο ακριβώς τρόπο που κάνει με τα φυσικά ζεύγη.

Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στις 12 Δεκεμβρίου 2023 στο Nature Communications, θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους επιστήμονες να δημιουργήσουν νέα φάρμακα σχεδιάζοντας προσαρμοσμένες πρωτεΐνες.

«Αν λάβει κανείς υπόψη πόσο ποικιλόμορφη είναι η ζωή στη Γη με μόλις τέσσερα νουκλεοτίδια, οι πιθανότητες για το τι θα μπορούσε να συμβεί εάν μπορούμε να προσθέσουμε περισσότερα είναι έχουν εξαιρετικό ενδιαφέρον», δήλωσε ο επικεφαλής συντάκτης Dong Wang, PhD, καθηγητής στη Σχολή Φαρμακευτικής και Φαρμακευτικών Επιστημών Skaggs.

«Η επέκταση του γενετικού κώδικα θα μπορούσε να διαφοροποιήσει σημαντικά το εύρος των μορίων που μπορούμε να συνθέσουμε στο εργαστήριο και να φέρει επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο προσεγγίζουμε τις πρωτεΐνες ως θεραπευτικά μέσα».

Τα τέσσερα νουκλεοτίδια του DNA ονομάζονται αδενίνη (Α), θυμίνη (Τ), γουανίνη (G) και κυτοσίνη (C). Σε ένα μόριο DNA, τα νουκλεοτίδια σχηματίζουν ζεύγη βάσεων με μια μοναδική μοριακή γεωμετρία που ονομάζεται γεωμετρία Watson and Crick, από τους επιστήμονες που ανακάλυψαν τη δομή της διπλής έλικας του DNA το 1953.

Αυτά τα ζεύγη Watson και Crick σχηματίζονται πάντα στις ίδιες διαμορφώσεις: A-T και C-G. Η δομή της διπλής έλικας του DNA σχηματίζεται όταν ενώνονται πολλά ζεύγη βάσεων Watson και Crick.

«Πρόκειται για ένα εξαιρετικά αποτελεσματικό σύστημα κωδικοποίησης βιολογικών πληροφοριών, γι’ αυτό και τα σοβαρά λάθη στη μεταγραφή και τη μετάφραση είναι σχετικά σπάνια», ανέφερε ο Wang.

«Όπως μάθαμε επίσης, μπορεί να είμαστε σε θέση να εκμεταλλευτούμε αυτό το σύστημα χρησιμοποιώντας συνθετικά ζεύγη βάσεων που παρουσιάζουν την ίδια γεωμετρία», πρόσθεσε.

Η μελέτη χρησιμοποιεί μια νέα έκδοση του τυπικού γενετικού αλφαβήτου, που ονομάζεται Τεχνητά Διευρυμένο Σύστημα Γενετικών Πληροφοριών (AEGIS), η οποία ενσωματώνει δύο νέα ζεύγη βάσεων.

Το AEGIS ξεκίνησε, αρχικά, ως πρωτοβουλία υποστηριζόμενη από τη NASA, η οποία είχε ως στόχο να προσπαθήσει να κατανοήσει πώς θα μπορούσε να έχει αναπτυχθεί εξωγήινη ζωή.

Απομονώνοντας ένζυμα RNA πολυμεράσης από βακτήρια και δοκιμάζοντας τις αλληλεπιδράσεις τους με συνθετικά ζεύγη βάσεων, οι επιστήμονες βρήκαν ότι τα συνθετικά ζεύγη βάσεων από το AEGIS σχηματίζουν μια γεωμετρική δομή που μοιάζει με τη γεωμετρία Watson και Crick των φυσικών ζευγών βάσεων. Το αποτέλεσμα; Τα ένζυμα που μεταγράφουν το DNA δεν μπορούν να διακρίνουν τη διαφορά μεταξύ αυτών των συνθετικών ζευγών βάσεων και εκείνων που βρίσκονται στη φύση.

«Στη βιολογία, η δομή καθορίζει τη λειτουργία», ανέφερε ο Wang. «Με τη συμμόρφωση σε παρόμοια δομή με τα τυπικά ζεύγη βάσεων, τα συνθετικά μας ζεύγη βάσεων μπορούν να περάσουν απαρατήρητα και να ενσωματωθούν στη συνήθη διαδικασία μεταγραφής», πρόσθεσε.

Εκτός από την επέκταση των δυνατοτήτων της συνθετικής βιολογίας, τα ευρήματα υποστηρίζουν επίσης μια υπόθεση που χρονολογείται από την αρχική ανακάλυψη των Watson και Crick. Σύμφωνα με αυτήν την υπόθεση, που ονομάζεται υπόθεση του ταυτομερούς, τα τυπικά τέσσερα νουκλεοτίδια μπορούν να σχηματίσουν αταίριαστα ζεύγη λόγω ταυτομερισμού ή της τάσης των νουκλεοτιδίων να ταλαντώνονται μεταξύ πολλών δομικών παραλλαγών με την ίδια σύνθεση.

Αυτό το φαινόμενο πιστεύεται ότι αποτελεί μία από τις πηγές σημειακών ή γενετικών μεταλλάξεων που επηρεάζουν ένα μόνο ζεύγος βάσεων σε μια αλληλουχία DNA.

«Ο ταυτομερισμός επιτρέπει στα νουκλεοτίδια να ενωθούν σε ζεύγη εκεί που υποτίθεται δεν θα το έκαναν», ανέφερε ο Wang, προσθέτοντας: «Έχει παρατηρηθεί ταυτομερισμός λανθασμένων ζευγών στις διαδικασίες αναπαραγωγής και μετάφρασης, αλλά εδώ παρέχουμε την πρώτη άμεση δομική απόδειξη ότι ο ταυτομερισμός συμβαίνει επίσης και κατά τη μεταγραφή».

Φωτογραφία: iStock

ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΕΠΙΣΗΣ:

Χριστουγεννιάτικο θαύμα: Γυναίκα με δύο μήτρες γέννησε δίδυμα

Δύσκολες οι γιορτές για τα παιδιά με ΔΕΠΥ – Πώς να τα βοηθήσετε

Προσοχή στο καρδιακό σύνδρομο των γιορτών – Πού οφείλεται