Mokslininkai kuria gyvybę su „nežemiškais“ elementais

Sintetinės biologijos specialistai į „gyvybės abėcėlę“ įtraukė naujų raidžių ir taip gali smarkiai išplėsti baltymų, kuriuos galima sukurti spektrą, rašo nature.com.

Daugelį milijardų metų gyvybės istorija buvo rašoma naudojant vos keturias raides – A, T, C ir G. Bent jau tokiomis raidėmis vadinamos dezoksiribonukleino rūgščių (DNR) bazės – adeninas, timinas, citozinas ir guaninas. Šios keturios raidės aprašo kiekvieno Žemės gyvio išvaizdą ir funkciją. Bet mokslininkai laboratorijoje visai neseniai šį milijardų metų senumo raidyną išplėtė – jie sukūrė gyvą ląstelę su dviem „nežemiškais“ DNR elementais genome.

Pasiekimas, kurį kiti mokslininkai pagrįstai vadina proveržiu, yra svarbus žingsnis pirmyn kuriant ląsteles, galinčias gaminti vaistus ir kitas naudingas molekules. Taip pat savaime kyla klausimas – galbūt ateityje mokslininkai ląsteles kurs visiškai nenaudodami tų keturių DNR bazių, kurios koduoja mus visus?

„Dabar turime ląstelę, kuri tiesiogine prasme saugo daugiau genetinės informacijos“, - sakė 15 metų trukusiam tyrimui vadovavęs biologinės chemijos ekspertas, Scripps tyrimų instituto (JAV) mokslininkas Floydas Romesbergas. Tyrimo rezultatus publikavo prestižinis recenzuojamas žurnalas „Nature“.

Kiekvieną DNR molekulę sudaro dviejų grandinių spiralė, kurios stuburą sudaro cukrų molekulės, o prie jų prisijungę cheminiai subvienetai, vadinami DNR bazėmis. Natūraliai organizmuose bazių yra ketvertas: adeninas (A), timinas (T), citozinas (C) ir guaninas (G). Šių raidžių triados koduoja skirtingas aminorūgštis – molekules, iš kurių sudaryti baltymai. DNR bazės jungiasi tarpusavyje, taip išlaikydamos stabilią DNR struktūrą. Vienoje grandinėje esantis adeninas visada jungiasi su priešingos grandinės timinu, o citozinas – su guaninu.

Raidės mėgintuvėlyje

Klausimas, ar gyvybės informacija galėtų būti saugoma ir kitokiose cheminėse grupėse, mokslininkams kilo dar praėjusio amžiaus septintame dešimtmetyje. Bet tik 1989 metais tuomet Šveicarijos federaliniame technologijų institute dirbęs Stevenas Benneris su kolegomis sukūrė modifikuotas citozino ir guanino formas bei įtraukė jas į DNR molekules. Atliekant reakcijas mėgintuvėlyje šios „keistos raidės“, kaip jas vadino mokslininkas, sugebėjo kopijuotis ir koduoti RNR, baltymus.

F. Romesbergo sukurtos DNR bazės yra visai kitokios – cheminiu požiūriu jos bemaž neprimena keturių natūralių bazių. 2008 metais publikuotame moksliniame darbe ir atlikdami vėlesnius eksperimentus mokslininkai skelbė apie bandymus suporuoti įvairius junginius iš 60 kandidatų sąrašo bei vertino 3600 iš jų gaunamų kombinacijų. Perspektyviausia pasirodė molekulių pavadintų d5SICS ir dNaM, pora. Svarbiausias reikalavimas joms – kad jos būtų suderinamos su fermentiniais mechanizmais, kurie kopijuoja ir transliuoja DNR.

„Anuomet net negalvojome, kad šią bazinę porą galėtume įkišti į organizmą“, - sakė buvęs F. Romesbergo doktorantas Denisas Malyševas, pirmasis mokslinio darbo autorius. Atliekant reakcijas mėgintuvėlyje mokslininkams pavyko inicijuoti savaiminį kopijavimąsi ir transliavimą į RNR – tam reikėjo, kad naujas bazines poras „pripažintų“ fermentai, prisitaikę prie darbo su A, T, C ir G.

Pirmasis iššūkis kuriant šią Žemėje neegzistuojančią gyvybės formą – paskatinti ląsteles priimti svetimas DNR bazes ir išlaikyti jas DNR struktūroje ląstelėms dalijantis (šio proceso metu kopijuojamos ir DNR sekos). Mokslininkai genetinės inžinerijos būdu bakteriją Escherichia coli modifikavo taip, kad ji ekspresuotų vienaląsčio dumblio diatomo geną, kuris koduoja baltymą, molekulėms suteikiantį galimybę kirsti bakterijos membraną.

Tuomet mokslininkai sukūrė trumpą DNR grandinę, vadinamą plazmidę, kurioje buvo viena mokslininkų sukurtų bazių pora, ir ją įterpė į E. coli ląsteles. Diatomo genas užtikrino šių modifikuotų bazių patekimą iš mitybinės terpės į bakterijų vidų, o įterptoji plazminė buvo kopijuojama ir perduodama besidalijančioms dukterinėms E. coli ląstelėms – toks procesas truko bent savaitę. Pasibaigus modifikuotų bazių ištekliams, bakterijos jas pakeitė natūraliomis.

Valdymo įrankis?

D. Malyševas modifikuotų DNR bazių pasisavinimo kontrolę vertina kaip saugumo priemonę, užtikrinančią, jog tokios modifikuotos ląstelės už laboratorijos ribų neišgyventų, netgi jei joms pavyktų kaip nors išsiveržti. Tačiau kiti mokslininkai, tokie kaip S. Brenneris, bando sukurti ląsteles, kurios modifikuotas bazes galėtų gamintis pačios, tokiu būdu panaikinant aprūpinimo iš išorės poveikį.

F. Romesbergas su kolegomis dabar bando savo sukurtas DNR bazes įtraukti į baltymų, sudarytų iš natūraliai neegzistuojančių aminorūgščių, sintezę. Aminorūgštis koduoja trijų DNR raidžių kombinacijos – kodonai. Į gyvybės abėcėlę įtraukus vos dvi papildomas raides, ląstelės galimybės koduoti naujas aminorūgštis smarkiai išsiplėstų. „Jeigu skaitytumėte knygą, parašytą naudojant tik tris raides, negalėtumėte perskaityti daug įdomių dalykų. Jeigu raidžių įtrauktumėte daugiau, būtų galima prigalvoti naujų žodžių, sugalvoti naujų pritaikymų tiems žodžiams ir veikiausiai papasakoti įdomesnių istorijų“, - pateikė pavyzdį F. Romesbergas.

Modifikuotos DNR bazės galėtų būti pritaikytos, tarkime, koduojant toksiškas aminorūgštis, kurios, patekusios į baltymo struktūrą, selektyviai naikintų vėžines ląsteles. Sukūrus šviečiančių aminorūgščių galima būtų konstruoti baltymus, kuriuos mokslininkai naudotų biologinių reakcijų stebėjimui mikroskopu. Siekiant komercializuoti atradimą, F. Romesbergas su kolegomis įsteigė bendrovę „Synthorx“.

Teksaso universiteto (JAV) sintetinės biologijos ekspertas Rossas Thyeris teigia, jog šis mokslinis darbas yra „galingas mūsų galimybių šuolis į priekį“. Pasak jo, turėtų būti įmanoma paraginti DNR su naujomis bazėmis koduoti naujas aminorūgštis.

„Didelė plačiosios visuomenės dalis manė, jog Floydo rezultatas bus neįmanomas“, - sakė S. Brenneris, teigdamas, kad cheminės reakcijos, kuriose dalyvauja DNR, pavyzdžiui, replikacijos, turėtų būti itin jautrios siekiant išvengti mutacijų.

Kol kas E. coli turi vos vieną mokslininkų sukurtą DNR bazių porą tarp milijonų natūralių porų. Tačiau S. Brenneris nemato kliūčių sukurti ląstelę vien iš „nežemiškų“ DNR bazių. „Nemanau, kad egzistuoja riba. Jeigu grįžtume atgal ir iš naujo keturis milijardus metų vykdytume evoliuciją, manau, susikurtų kitokia genetinė sistema“, - svarsto mokslininkas.