- Naukowcy odkryli, że kluczowy enzym w naszych komórkach potrafi odczytywać i przepisywać genetyczny alfabet rozszerzony o cztery nowe litery.
- To przełomowe odkrycie otwiera drzwi do tworzenia nowych form życia i innowacyjnych terapii, które mogą być poza zasięgiem naturalnej biologii.
- Nowa technologia pozwala na projektowanie białek i systemów biologicznych o nieznanych dotąd właściwościach, co może zrewolucjonizować medycynę i biotechnologię.
Genetyczny alfabet: od czterech do ośmiu liter
Wyobraźmy sobie, że język, którym posługuje się całe życie na Ziemi, nagle zyskuje nowe, dotąd nieznane litery. Właśnie takie przełomowe odkrycie ogłosili naukowcy z University of California San Diego w USA, wykazując, że jeden z najważniejszych enzymów biologicznych - polimeraza RNA - potrafi precyzyjnie odczytywać i kopiować rozszerzony, ośmioliterowy alfabet genetyczny.
To zmienia perspektywę na to, co jest możliwe w biologii, otwierając drzwi do projektowania zupełnie nowych funkcji biologicznych i związków, które nie występują w naturze.
Wszystkie znane organizmy żywe, od bakterii po człowieka, opierają się na kodzie genetycznym składającym się z zaledwie czterech liter, czyli zasad azotowych: A (adeniny), C (cytozyny), G (guaniny) oraz T (tyminy). To one budują nasze DNA i przekazują informacje genetyczne.
Badanie opublikowane w prestiżowym piśmie "Nature Communications" pokazuje, że komórki są w stanie przetwarzać syntetyczną informację genetyczną, wykorzystując swoje naturalne mechanizmy molekularne.
Jak rozszerzyć język życia? Przełom dzięki kriomikroskopii
Celem biologii syntetycznej jest rozszerzenie "języka" DNA, co umożliwi naukowcom projektowanie systemów biologicznych o funkcjach i produktach, których natura jeszcze nie stworzyła. Kluczową rolę w tym procesie odgrywa polimeraza RNA - enzym odpowiedzialny za pierwszy i fundamentalny etap ekspresji genów, czyli odczytywania genów. To właśnie ona odczytuje DNA i na jego podstawie wytwarza cząsteczki RNA, które są dalej przetwarzane na białka.
Aby zrozumieć, jak to możliwe, że ten naturalny enzym może działać z syntetycznymi literami, naukowcy wykorzystali zaawansowane eksperymenty biochemiczne oraz kriomikroskopię elektronową (cryo-EM). Ta niezwykle precyzyjna technika pozwala uzyskać obrazy o szczegółach mniejszych niż szerokość pojedynczego atomu.
Dzięki niej badacze mogli zobaczyć, jak polimeraza RNA pochodząca z pospolitej bakterii Escherichia coli (E. coli) rozpoznaje i włącza do kodu dwie syntetyczne pary zasad - litery genetyczne, których nie znajdziemy w naturze.
Obrazy uzyskane z cryo-EM ujawniły zaskakującą prawdę: enzym ten rozpoznaje i przetwarza syntetyczne litery DNA, używając tych samych sygnałów biochemicznych i strukturalnych, co w przypadku naturalnych par zasad. To wyjaśnia, dlaczego rozszerzona informacja genetyczna może być tak wiernie kopiowana.
Dodatkowo, w pokrewnym badaniu opublikowanym w czasopiśmie PNAS, ci sami badacze potwierdzili, że polimeraza RNA potrafi rozpoznawać także inną parę syntetycznych zasad.
Co to oznacza dla medycyny i przyszłości?
Znaczenie tej pracy wykracza daleko poza podstawowe badania genetyczne. Już wcześniej rozszerzone alfabety genetyczne były wykorzystywane do tworzenia syntetycznych cząsteczek DNA, które potrafiły na przykład rozpoznawać komórki raka wątroby. Nowe odkrycie, precyzyjnie wyjaśniające, w jaki sposób polimeraza RNA odczytuje i przepisuje te nienaturalne litery DNA, stanowi solidny fundament dla przyszłych technologii.
Potencjalne zastosowania są ogromne i mogą zrewolucjonizować wiele dziedzin, w tym:
- nową diagnostykę, która będzie w stanie wykrywać choroby na nieznanych dotąd poziomach;
- innowacyjne terapie, potencjalnie zdolne do precyzyjniejszego zwalczania schorzeń;
- zaawansowaną inżynierię biologiczną, pozwalającą na tworzenie organizmów o unikalnych właściwościach.
Dzięki temu badaniu stajemy na progu ery, w której genetyczny kod życia nie będzie już ograniczeniem, a jedynie punktem wyjścia do tworzenia nowych rozwiązań medycznych i biotechnologicznych.
5
