- Experimentální DNA může obsahovat až 6 nukleotidů
- Nově navržené proteiny otevírají široké obzory v oblasti vědy a medicíny
- Představte si možnost navrhovat proteiny s přizpůsobenými vlastnostmi, které jsou při léčbě rakoviny schopné cílit na nádory s chirurgickou přesností
Deoxyribonukleová kyselina, známá také jako DNA, představuje základní stavební kámen života. Jedná se o molekulu, která nese genetickou informaci všech organismů, od bakterií až po lidi. DNA se nachází v jádrech buněk, kde je uložena ve formě chromozomů. Chromozomy jsou uspořádány do lineárních struktur obsahujících genetickou informaci pro všechny buněčné procesy.
DNA je tvořena dvěma dlouhými řetězci, které jsou vzájemně propojeny vodíkovými můstky. Každý řetězec je sestaven z jednotek nazývaných nukleotidy. Nukleotid se skládá ze tří základních komponent. První částí je deoxyribóza, cukernatá část. Dále je nukleotid tvořen fosfátovou částí, která je zdrojem energie. Poslední částí jsou nukleotidové báze a o nich si budeme v tomto článku dneska povídat.
Existují čtyři typy nukleotidových bází: adenin (A), guanin (G), cytosin (C) a thymin (T). Tyto báze se párují vzájemně specifickým způsobem: (A) se páruje s (T) a (G) se páruje s (C). Abychom byli důslední, je potřeba zmínit, že v případě RNA se páruje uracil (U) s adeninem (A).
Příroda zařídila, že se DNA skládá ze čtyř nukleotidů (písmenek), ale co kdybychom mohli tuto řadu rozšířit o další nukleotidy a vytvořit tak zcela nové formy DNA, které by měly zcela jedinečné vlastnosti?
Byly objeveny nové nukleotidy
Právě tuto věc se úspěšně podařilo zrealizovat vědcům z Kalifornské univerzity v San Diegu, Nadace pro aplikovanou molekulární evoluci a Salkova institutu pro biologická studia. Vědci vytvořili novou variantu DNA obsahující šest písmen (nukleotidů) namísto obvyklých čtyř a prokázali její schopnost tvořit bílkoviny, klíčové stavební bloky života.
Tento úspěch, publikovaný v časopise Nature Communications, otevírá dveře do budoucnosti, kdy by se proteiny navržené na míru a nové biologické aplikace mohly stát realitou. „Život na Zemi je úžasně rozmanitý s pouhými čtyřmi nukleotidy, takže si představte, co bychom mohli všechno dělat, kdybychom použili nové nukleotidy,“ řekl Dr. Dong Wang, profesor na Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences na UC San Diego a hlavní autor studie. „Rozšířením genetického kódu bychom mohli vytvářet nové molekuly, které jsme dosud neznali, a zkoumat nové způsoby výroby proteinů jako terapeutik.“
Jak se podařilo syntetizovat nové nukleotidy?
Wang a jeho kolegové využili systém AEGIS. AEGIS znamená „Artificially Expanded Genetic Information System“ (uměle rozšířený genetický informační systém). Je to syntetický genetický systém, který byl vyvinut pro rozšíření genetické abecedy DNA. Systém AEGIS vyvinul Dr. Steven A. Benner z Nadace pro aplikovanou molekulární evoluci v rámci projektu financovaného NASA, který zkoumal, jak by se mohl vyvinout život na jiných planetách.
AEGIS rozšiřuje standardní abecedu DNA o dvě nová písmena, doplňující existující adenin (A), thymin (T), guanin (G) a cytosin (C). Tato nová písmena (nukleotidy), Z a P, mají identický tvar a velikost jako přirozené nukleotidy, což umožňuje jejich bezproblémovou integraci do dvoušroubovicové struktury DNA. Tato struktura byla původně identifikována Jamesem Watsonem a Franciscem Crickem v roce 1953. Díky své kompatibilitě s geometrií DNA mohou enzymy, jako je RNA polymeráza, které čtou a replikují DNA, rozpoznat a zpracovat DNA obsahující AEGIS písmena stejně efektivně jako přirozenou DNA.
Objev rozpoznávání AEGIS pomocí RNAP E. coli
Už víme, co to je AEGIS, ale co znamená RNAP E.coli? RNAP Escherichia coli je enzym, který je zodpovědný za syntézu RNA v bakterii Escherichia coli. Tak a nyní můžeme pokračovat dál. Vědci nedávno objevili, že RNAP Escherichia coli (E. coli) vykazují selektivní rozpoznávání nepřirozených nukleobází v rámci šestipísmenného rozšířeného genetického systému. Tento objev je zásadním krokem vpřed v pochopení toho, jak buněčné stroje interagují s DNA modifikovanou AEGIS.
Strukturní poznatky z kryoelektronové mikroskopie
Kryoelektronová mikroskopie s vysokým rozlišením (kryo-EM) umožnila bližší pohled na molekulární interakce mezi E. coli RNAP a AEGIS modifikovanou DNA. Byly zkoumány tři elongační komplexy RNAP obsahující templátové a substrátové páry nepřirozených bází (UBP), které odhalily společné principy řídící rozpoznávání jak AEGIS, tak párů přirozených bází. Tyto struktury zachycují RNAP v aktivním stavu, připravené provádět chemické procesy spojené s transkripcí.
Přijetí Watson-Crickovy geometrie
V kritickém bodě transkripce přijímá nepřirozený bázový pár Watsonovu-Crickovu geometrii, což odpovídá dobře zavedeným principům rozpoznávání přirozených bázových párů. Kromě toho spouštěcí smyčka, klíčová složka procesu transkripce, prochází konformační změnou, což dále potvrzuje, že mechanismy, které jsou základem rozpoznávání a začlenění přirozených bázových párů, jsou použitelné i pro nepřirozené bázové páry AEGIS.
Ověření nepřirozených párů bází AEGIS
Strukturní údaje získané ze studií kryoEM poskytují přesvědčivé důkazy podporující filozofii návrhu nepřirozených bázových párů AEGIS. Toto potvrzení má zásadní význam pro širší přijetí a implementaci technologie AEGIS v aplikacích genetického inženýrství a syntetické biologie.
Co nás čeká v budoucnosti?
Tento průlom nám otevírá dveře k fascinujícím perspektivám. Představte si možnost navrhovat proteiny s přizpůsobenými vlastnostmi, schopné při léčbě rakoviny cílit na nádory s chirurgickou přesností nebo konstruovat bakterie určené pro ekologicky šetrnou syntézu biopaliv. Tyto široké obzory nejenže sahají za rámec medicíny a environmentálních aplikací, ale také pronikají do oblasti materiálových věd a potenciálně i syntetické biologie.
Vědci neustále musejí čelit novým výzvám, jako je optimalizace integrace nových nukleotidů a udržení jejich stability v genomu, a plné využití potenciálu tohoto rozšířeného kódu jsou oblasti, které vyžadují další zkoumání. Nicméně základy pro přepis genetického lexikonu byly položeny. Tento objev představuje významný posun v našem chápání genetického plánu. Je to záruka nové éry biologického designu, kde jsou možnosti omezeny pouze naší představivostí.
Josef Novák
Další dnešní články
