O bacterie proiectată este capabilă să copieze ADN-ul care conține litere genetice nenaturale.

Instrumente pentru articole

viață

Adăugarea de noi litere la „alfabetul vieții” ar putea permite biologilor să extindă în mare măsură gama de proteine ​​pe care le-ar putea sintetiza.

De miliarde de ani, istoria vieții a fost scrisă cu doar patru litere - A, T, C și G, etichetele date subunităților ADN conținute în toate organismele. Acest alfabet tocmai a crescut, anunță cercetătorii, odată cu crearea unei celule vii care are două elemente de construcție ADN „străine” în genomul său.

Salutat ca o descoperire de către alți oameni de știință, lucrarea este un pas către sinteza celulelor capabile să producă medicamente și alte molecule utile. De asemenea, crește posibilitatea ca celulele să poată fi într-o zi proiectate fără niciuna dintre cele patru baze ADN utilizate de toate organismele de pe Pământ.

„Ceea ce avem acum este o celulă vie care stochează literalmente informații genetice crescute”, spune Floyd Romesberg, biolog chimic la Scripps Research Institute din La Jolla, California, care a condus efortul de 15 ani. Cercetarea lor apare astăzi online în Natură 1 .

Fiecare fir al dublei spirale a ADN-ului are o coloană vertebrală de molecule de zahăr și, atașate de acesta, subunități chimice cunoscute sub numele de baze. Există patru baze diferite: adenină (A), timină (T), citozină (C) și guanină (G). Aceste litere reprezintă codul pentru blocurile de aminoacizi care alcătuiesc proteinele. Bazele leagă cele două catene de ADN împreună, cu un A care se leagă întotdeauna de un T pe catena opusă (și invers), iar C și G fac același lucru.

Natura Podcast

Ewen Callaway l-a întrebat pe Floyd Romesberg cum funcționează ADN-ul său extraterestru.

Litere cu eprubete

Oamenii de știință s-au întrebat mai întâi dacă viața ar putea stoca informații folosind alte grupuri chimice în anii 1960. Dar abia în 1989, Steven Benner, pe atunci la Institutul Federal Elvețian de Tehnologie din Zurich, și echipa sa au adus forme modificate de citozină și guanină în molecule de ADN. În reacțiile la eprubete, șuvițele formate din aceste „litere amuzante”, așa cum le numește Benner, s-au copiat și au codat ARN și proteine ​​2 .

Bazele proiectate de echipa lui Romesberg sunt mai străine, având puține asemănări chimice cu cele patru naturale, spune Benner. Într-o lucrare din 2008 și în cadrul unor experimente de urmărire, grupul a raportat eforturi pentru a asocia perechea chimică dintr-o listă de 60 de candidați și a examina cele 3.600 de combinații rezultate. Au identificat o pereche de baze, cunoscute sub numele de d5SICS și dNaM, care păreau promițătoare 3. În special, moleculele trebuiau să fie compatibile cu echipamentul enzimatic care copiază și traduce ADN-ul.

„Nici măcar nu ne gândeam pe atunci că ne putem muta într-un organism cu această pereche de baze”, spune Denis Malyshev, fost student absolvent în laboratorul Romesberg, care este primul autor al noii lucrări. Lucrând cu reacții la eprubete, oamenii de știință au reușit să obțină perechea lor de baze nenaturale să se copieze și să fie transcrise în ARN, ceea ce impunea ca bazele să fie recunoscute de enzimele care evoluaseră pentru a utiliza A, T, C și G.

Prima provocare pentru crearea acestei vieți străine a fost de a face celulele să accepte bazele străine necesare pentru a menține molecula din ADN prin runde repetate de diviziune celulară, în timpul cărora ADN-ul este copiat. Echipa a proiectat bacteria Escherichia coli să exprime o genă dintr-o diatomă - o algă unicelulară - care codifică o proteină care a permis moleculelor să treacă prin membrana bacteriei.

Oamenii de știință au creat apoi o buclă scurtă de ADN, numită plasmidă, conținând o singură pereche de baze străine, și au inserat totul în E coli celule. Odată cu proteina diatomică care furnizează o dietă de nucleotide străine, plasmida a fost copiată și trecută la divizare E coli celule timp de aproape o săptămână. Când s-a epuizat aportul de nucleotide străine, bacteriile au înlocuit bazele străine cu cele naturale.

Controlul străinilor

Malyshev vede capacitatea de a controla absorbția bazelor ADN străine ca o măsură de siguranță care ar împiedica supraviețuirea celulelor extraterestre în afara laboratorului, în cazul în care acestea scapă. Dar alți cercetători, inclusiv Benner, încearcă să proiecteze celule care pot crea baze străine de la zero, evitând necesitatea unei materii prime.

Grupul lui Romesberg lucrează la obținerea ADN-ului străin pentru a codifica proteinele care conțin aminoacizi, alții decât cei 20, care formează împreună aproape toate proteinele naturale. Aminoacizii sunt codificați de „codoni” a trei litere ADN fiecare, astfel încât adăugarea a doar două „litere” ADN străine ar extinde considerabil capacitatea unei celule de a codifica noi aminoacizi. „Dacă citiți o carte scrisă cu patru litere, nu veți putea spune multe povești interesante”, spune Romesberg. „Dacă vi se oferă mai multe litere, puteți inventa cuvinte noi, puteți găsi noi modalități de a folosi aceste cuvinte și probabil puteți spune povești mai interesante”.

Utilizările potențiale ale tehnologiei includ încorporarea unui aminoacid toxic într-o proteină pentru a se asigura că acesta ucide doar celulele canceroase și dezvoltarea de aminoacizi strălucitori care ar putea ajuta oamenii de știință să urmărească reacțiile biologice la microscop. Echipa lui Romesberg a fondat o companie numită Synthorx în San Diego, California, pentru comercializarea lucrării.

Ross Thyer, biolog sintetic la Universitatea Texas din Austin, care a fost co-autor al unui articol legat de News and Views, spune că lucrarea este un mare salt înainte în ceea ce putem face. Ar trebui să fie posibil ca ADN-ul străin să codifice noi aminoacizi, spune el.

„Mulți din comunitatea largă au crezut că rezultatul lui Floyd ar fi imposibil”, spune Benner, deoarece reacțiile chimice care implică ADN, cum ar fi replicarea, trebuie să fie extrem de sensibile pentru a evita mutația.

Extraterestrul E coli conține doar o singură pereche de baze ADN străine din milioane. Dar Benner nu vede niciun motiv pentru care o celulă complet străină nu este posibilă. „Nu cred că există vreo limită”, spune el. „Dacă vă întoarceți și reluați evoluția timp de patru miliarde de ani, ați putea veni cu un sistem genetic diferit”.

Dar crearea unui organism complet sintetic ar fi o provocare uriașă. „De multe ori oamenii vor spune că vei face un organism complet din ADN-ul tău nefiresc”, spune Romesberg. „Asta pur și simplu nu se va întâmpla, deoarece există prea multe lucruri care recunosc ADN-ul. Este prea integrat în fiecare fațetă a vieții unei celule

Switzer, C., Moroney, S. E. și Benner, S. A. J. Am. Chem. Soc. 111, 8322 - 8323 (1989).