Atılım: Yapay DNA tasarımcı proteinlere kapı açıyor

[™ Admin]

Atılım: Yapay DNA tasarımcı proteinlere kapı açıyor

Tüm canlıların genetik bilgisini saklayan molekül olan DNA, yalnızca dört kimyasal harften yani nükleotidden oluşur. Peki ya bu alfabeye daha fazla harf ekleyip yeni DNA türleri yaratabilseydik?

Kaliforniya San Diego Üniversitesi, Uygulamalı Moleküler Evrim Vakfı ve Salk Biyolojik Araştırmalar Enstitüsü'nden bir araştırmacı ekibinin yaptığı da budur. DNA'nın dört yerine altı harfli yeni bir versiyonunu geliştirdiler ve bu DNA'nın yaşamın yapı taşları olan proteinlerin yapımında kullanılabileceğini gösterdi.

Nature Communications'da yayınlanan bu başarı, özel tasarlanmış proteinlerin ve yeni biyolojik uygulamaların gerçeğe dönüşebileceği bir geleceğin kapılarını açıyor.

Dört nükleotid

Yaşamın planı olan DNA, talimatlarını yalnızca dört nükleotid kullanarak kodlar: adenin (A), timin (T), guanin (G) ve sitozin (C). Bu nükleotidler belirli konfigürasyonlarda eşleşerek ikonik çift sarmalı oluşturur. Peki ya bu alfabe genişletilebilirse? Kişiselleştirilmiş tıptan devrim niteliğindeki materyallere kadar uzanan sonuçlar ilgi çekicidir.

UC San Diego'daki Skaggs Eczacılık ve Eczacılık Bilimleri Okulu'ndan profesör ve bu kitabın kıdemli yazarı Dong Wang, Ph.D., "Yeryüzünde yaşam sadece dört nükleotid ile inanılmaz derecede çeşitlidir, bu yüzden daha fazlasıyla neler yapabileceğimizi hayal edin" dedi. çalışma.

"Genetik kodu genişleterek, daha önce görülmemiş yeni moleküller yaratabilir ve terapötik olarak protein üretmenin yeni yollarını keşfedebiliriz."

Wang ve meslektaşları, Yapay Olarak Genişletilmiş Genetik Bilgi Sistemi anlamına gelen AEGIS adı verilen sentetik bir DNA sistemi kullandılar. AEGIS, Uygulamalı Moleküler Evrim Vakfı'nda PhD Steven A. Benner tarafından, yaşamın diğer gezegenlerde nasıl evrimleşmiş olabileceğini araştıran NASA tarafından finanse edilen bir projenin parçası olarak oluşturuldu.

Dr. Dong Wang, genetik koda yeni 'harfler' eklemenin yaşamın kelime dağarcığını genişlettiğini ve daha karmaşık anlatılar yazmamıza olanak sağladığını çok yerinde bir şekilde açıklıyor." Ekibinin buluşu, hücrelerin sentetik nükleotidleri DNA tarifine kolaylıkla dahil edebildiğini gösteriyor.

AEGIS'i kullanma

AEGIS, standart DNA alfabesine adenin (A), timin (T), guanin (G) ve sitozinden oluşan iki yeni harf ekler. Bu harfler, 1953'te James Watson ve Francis Crick tarafından keşfedilen DNA'nın çift sarmal yapısını oluşturacak şekilde belirli bir şekilde eşleşirler.

Yeni harfler olan Z ve P, doğal harflerle aynı şekil ve boyuta sahip olduğundan, DNA sarmalının geometrisini bozmadan içine sığabiliyorlar. Bu, RNA polimeraz gibi DNA'yı okuyan ve kopyalayan enzimlerin, AEGIS DNA'sını tıpkı doğal DNA gibi tanıyabileceği ve işleyebileceği anlamına gelir.

RNA polimeraz

Anahtar doğanın mekanizmasını taklit etmekte yatıyor. Araştırmacılar, DNA'yı RNA'ya dönüştüren ve daha sonra protein yapımında kullanılan anahtar bir enzim olan RNA polimerazı belirlediler. Doğal nükleotidlerin geometrisini kusursuz bir şekilde taklit eden iki yapay nükleotid tasarladılar. RNA polimeraz, test edildiğinde bu yeni eklemeleri kolayca kabul etti ve bunları sorunsuz bir şekilde transkripsiyona dahil etti.

Araştırmacılar, bakterilerdeki RNA polimerazın AEGIS DNA'sını RNA'ya kopyalayıp kopyalayamayacağını test etti ve bunu yüksek doğruluk ve verimlilikle yapabileceğini buldu.

Wang, "Bu, biyolojik mekanizmanın ne kadar sağlam ve uyarlanabilir olduğunun dikkate değer bir göstergesidir" dedi. "DNA'nın doğal şeklini taklit ederek sentetik harflerimiz gizlice içeri girebilir ve yeni proteinler yapmak için kullanılabilir."

Bu atılım heyecan verici olasılıkların önünü açıyor. Kanser tedavisi için tümörleri tam olarak hedefleyebilen veya çevre dostu biyoyakıtları sentezlemek için bakterileri tasarlayabilen, kişiye özel özelliklere sahip proteinler tasarladığınızı hayal edin. Geniş ufuklar tıp ve çevre uygulamalarının ötesinde malzeme bilimine ve hatta potansiyel olarak sentetik biyolojiye kadar uzanıyor.

Elbette zorluklar devam ediyor. Yeni nükleotidlerin dahil edilmesini optimize etmek, bunların genom içindeki stabilitesini sağlamak ve bu genişletilmiş kodun tüm potansiyelini deşifre etmek daha ileri araştırma alanlarıdır. Ancak genetik sözlüğün yeniden yazılmasının temelleri atıldı.

Bu keşif, yaşamın planına dair anlayışımızda çok önemli bir sıçramaya işaret ediyor. Olasılıkların yalnızca hayal gücümüzle sınırlı olduğu yeni bir biyolojik tasarım çağını başlatma vaadini taşıyor.

Wang, "Bu yeni proteinlerin tıpta, biyoteknolojide ve biyomühendislikte uygulamaları olabilir" dedi. "Yapay DNA ile yapabileceklerimizin yalnızca yüzeyini çiziyoruz."

Çalışma özeti:

Yapay Olarak Genişletilmiş Genetik Bilgi Sistemleri (AEGIS), doğal DNA'da bulunan doğal G:C ve A:T/U çiftlerine bağımsız olarak kopyalanabilir doğal olmayan nükleotid çiftleri ekleyerek doğal olmayan çiftleri alternatif hidrojen bağı modları yoluyla birleştirir.

AEGIS çiftlerinin çok alt birimli hücresel RNA polimerazlar (RNAP'ler) tarafından tanınıp tanınmayacağı ve nasıl işleneceği henüz bilinmiyor. Burada, E. coli RNAP'ın altı harfli genişletilmiş genetik sistemdeki doğal olmayan nükleobazları seçici olarak tanıdığını gösteriyoruz.

Şablon-substrat UBP'leri içeren üç RNAP uzatma kompleksinin yüksek çözünürlüklü kriyo-EM yapıları, AEGIS ve doğal baz çiftlerinin tanınmasının ardındaki ortak ilkeleri ortaya koymaktadır. Bu yapılarda RNAP'ler, kimya adımını gerçekleştirmeye hazır, aktif bir durumda yakalanır.

Bu noktada, doğal olmayan baz çifti bir Watson-Crick geometrisini benimser ve tetikleme döngüsü aktif bir konformasyona katlanır; bu, doğal baz çiftlerinin tanınması ve dahil edilmesinin altında yatan mekanik ilkelerin AEGIS doğal olmayan baz çiftleri için de geçerli olduğunu gösterir.

Bu veriler AEGIS'in doğal olmayan baz çiftlerinin tasarım felsefesini doğrulamaktadır. Ayrıca, transkripsiyon sırasında çift uyumsuzluğunun tautomerizasyon yoluyla meydana geldiğine dair uzun süredir devam eden bir hipotezi destekleyen yapısal kanıtlar sağlıyoruz. Birlikte çalışmamız, AEGIS baz çifti tanımanın tasarım ilkelerinin altında yatan Watson-Crick tamamlayıcılığının önemini vurgulamaktadır.

Kaynak: Interesting Engineering