XNS ‒ szintetikus nukleinsavak

Már rendelkezésre áll egy mesterséges genetikai rendszer, amely elvben lehetővé teszi a földitől alapjaiban különböző létformák előállítását.

"Semmiféle élet nem képzelhető el az örökletes információ tárolására és átadására alkalmas rendszer nélkül. Azonban ezeket a feladatokat nem egyedül a DNS és az RNS képes ellátni" - vezet be Philipp Holliger a mesterséges örökítőanyagok birodalmába. "Legalább hatféle más polimer alkalmas lehet erre a funkcióra. Az, hogy a földi élet éppen a DNS-en és az RNS-en alapul, egyfajta történeti véletlen, amely az élet keletkezése óta kísér bennünket."

Az angliai Cambridge-ben dolgozó molekuláris biológus által kidolgozott mű-örökítőanyag, az XNS (xeno-, vagyis idegen nukleinsav) a DNS-hez hasonlóan csavart létrára emlékeztető szerkezetű polimer, melyben négy különféle alkotórész váltakozik. Azonban a molekula gerincét alkotó úgynevezett cukor-foszfát lánc cukormolekuláit teljesen a DNS-étől teljesen eltérő komponensek - a hat szénatomos gyűrűjű ciklohexán, illetve a treóz nevű négyszénatomos cukor - helyettesítik.

Holliger csapata létrehozott továbbá egy sor enzimet, amelyek funkciójukban megfeleltethetők a DNS-en működő enzimeknek, azonban DNS helyett XNS-sel dolgoznak. Így rendelkezésre áll egy komplett új genetikai rendszer, amely elvben lehetővé teszi a földitől alapjaiban különböző létformák előállítását - írja a Scientific American.

Az XNS-t másoló-szabdaló enzimek tökéletesítése után elképzelhető lesz például, hogy egy létező baktériumsejt DNS-ét XNS-sel helyettesítsék. Holliger elismeri: egyelőre távoli álom az XNS-sel működő létformák életre keltése. Azonban ha egyszer megvalósulnak, óriási előnyük lehet, hogy genetikai anyaguk semmiféle módon nem keveredhet a környezeti mikrobákéval, ami folytonos aggály a "hagyományos", DNS-alapú génmódosított organizmusok esetében.

A földi élet elképzelhetetlen a két természetben megtalálható nukleinsav, a DNS és az RNS nélkül. Felmerül a kérdés azonban, hogy létezhetnek-e más olyan polimer molekulák is, amelyek az említettekhez hasonlóan képesek a genetikai információ hordozására. Van valami egyedi különlegesség a DNS-ben és az RNS-ben? Vagy egyszerűen csak ezek voltak az első működőképes változatok?

Ezekre a kérdésekre kereste a választ Vitor Pinheiro, a cambridge-i MRC Laboratory of Molecular Biology kutatója is, és eredményei önmagukért beszélnek: bár jelenlegi tudásunk szerint a DNS és az RNS végzi a genetikai információk kizárólagos hordozását, nem ezek az egyedüli molekulák, amelyek képesek erre. Pinheiro kutatócsoportja hat különféle alternatív polimert hozott létre, amelyek képesek hordozni a genetikai kódot, valamint evolúciós lépéseken átmenni. A molekulák egyike sem található meg a természetben, mindannyian a szintetikus genetikának nevezett új tudományterület alkotásai. A kutatásról beszámoló tanulmány a Science oldalain jelent meg.

Az élethez oly fontos nukleinsavak kémiai szerkezete nem túlságosan bonyolult. Dezoxiribóznak, illetve az RNS esetében ribóznak nevezett cukrok hosszú lánca alkotja ezeket, amelyeket egy-egy foszfátcsoport köt össze. Minden cukorhoz egy nitrogén tartalmú szerves bázis kapcsolódik (adenin, timin, citozin vagy guanin). Az RNS-ben a timin helyett uracil szerepel. Ha a DNS térbeli szerkezetét egy hosszanti tengelye körül megcsavart létrához hasonlítjuk (kettős hélix), amelynek fokait az egymással párt alkotót bázisok alkotják, akkor az RNS ennek a létrának az egyik felére emlékeztet (szimpla hélix).

Pinheiro XNS-e, amelyben az X a xeno (idegen) előtag helyett áll, szintén a nukleinsavak közé tartozik, csak éppen másfajta cukrokat tartalmaz dezoxiribóz helyett: arabinózt (ANS), ciklohexánt (CeNS) vagy éppen treózt (TNS). Ezen eltéréseken túl az XNS ugyanolyan bázisokból és foszfátcsoportokból áll, mint a természetben megtalálható nukleinsavak, és képes is bármilyen komplementer DNS-szállal vagy RNS-sel összekapcsolódni.

Ahogy Jack Szostak, a Harvard biológusa elmondta, elméletben rengeteg különféle polimer elképzelhető, amely alkalmas lenne a DNS és az RNS szerepének ellátására. De akkor miért használja a biológia kizárólag ezt a két molekulát?

A szakértők többsége egyetért abban, hogy a DNS-t megelőzően az RNS lehetett minden élő dolgok fő információs molekulája- Phil Holliger, az XNS-kutatás egyik résztvevője szerint pusztán az élet kialakulása során bekövetkezett véletlenek sora vezetett a ribonukleinsav egyeduralmához. Nem valamiféle minőségi előnyről van szó tehát, egyszerűen a körülmények összejátszásának volt köszönhető, hogy az RNS-nek jutott ez a kitüntetett szerep.

A másik lehetőség, hogy egyes nukleinsavak egyszerűen jobbak önmaguk másolásában és a különféle kémiai reakciók felgyorsításában, így kiválasztódtak a feladatra kevésbé alkalmas jelöltek közül. Az XNS-kutatás révén most esély nyílik ezen teória tesztelésére is, hiszen végre van mivel összehasonlítani a természetben megtalálható nukleinsavak funkcionális képességeit.

Az XNS létrehozásához egy módosított DNS-polimeráz enzimet használtak. Ez az enzim felelős a DNS replikációjáért: leolvassa a DNS egyik szálának egy szakaszát, majd összeszerkeszt egy ehhez passzoló darabot a rendelkezésre álló építőkövekből, a dNTP-kből (dezoxinukleozid-trifoszfátok). Az enzim általában nagyon „válogatós” abban, hogy milyen építőanyagot hajlandó használni: csak olyan molekulákat választ, amelyekben dezoxiribóz van, hogy biztosan DNS-t építsen, ne pedig egy másfajta nukleinsavat. Pinheiro úgy módosította az polimerázt, hogy az az adott XNS építőelemeit preferálja mindenek felett.

Ezt olyan módon ért el, hogy enyhén eltérő polimeráz enzimeket kevert össze az őket kódoló génnel, majd a keverékhez hozzáadta az XNS alapelemeit. Egyes enzimváltozatok inkább hajlandóak voltak felhasználni ezeket az építkezéshez, mint mások. A legsikeresebbnek bizonyuló variációk kiválasztásával Pinheiro és csapata képes volt létrehozni azt az enzimet, amely már kifejezetten ezeket az elemeket választotta ki, és XNS szálakat párosított a DNS szálaihoz. Egy olyan enzimet is megalkottak a polimeráz enzim többszörös mutációja révén, amely képes megfordítani a folyamatot, vagyis az XNS-t DNS-sé alakítja. 

A kutatók megalkottak tehát két enzimet, amelyek legalább 95 százalékos pontossággal képesek oda-vissza másolni a genetikai információz az XNS- és a DNS-forma között. A kísérlet folytatásával idővel lehetséges lesz a DNS-t teljesen kiiktatni a körből, vagyis XNS-ről XNS-re adódhat tovább a genetikai kód. Ha ez működőképesnek bizonyul, az hosszútávon akár egészen új, mesterséges genetikai polimereken alapuló életformák megalkotását is lehetővé teheti.

És a jelek szerint, hogy működhet a dolog: a kutatók sikeres replikációt hajtottak végre FANS és FANS (fluorarabinóz-nukleinsav) közt, CeNS és CeNS közt, valamint HNS-t (anhidrohexitol-nukleinsav) hoztak létre a CeNA szálainak segítségével. Ezek a lépések azonban egyelőre sokkal kevésbé hatékonyak, mint a molekulák DNS-ről történő legyártása. De más dolgok is a DNS folyamatban tartása mellett szólnak: a genetikai technológia összes jelenleg létező darabja hagyományos nukleinsavakra készült. Ha tehát kizárólag XNS-sel foglalkozó kísérletekbe akarunk kezdeni, ahhoz már módosított szekvenáló és egyéb műszerek szükségesek. 

Az XNS különféle változatai kémiailag látszólag nem sokban különböznek rokonaiktól, más területeken azonban óriási eltéréseket mutatnak hozzájuk képest. Az egyik ilyen jellegzetesség, hogy rendkívül ellenállónak bizonyulnak a környezettel szemben. A DNS-re és az RNS-re számos veszély leselkedik a természetes világban: a savak megtörhetik a szerkezet létrafokait, és számos enzim könnyedén átvágja a polimerláncot. Az XNS-sel nincsenek ilyen problémák, mivel mesterséges eredetüknek köszönhetően gyakorlatilag sebezhetetlenek a természetes enzimekkel, a szélsőséges pH-val vagy egyéb extrém körülményekkel szemben. Ahogy Holliger elmondta, minden kémiai reagenst ráeresztettek a molekulákra, ami csak készleten volt, de az XNS meglepően szívósnak bizonyult a fenyegetésekkel szemben.

Az XNS-ek ezen tulajdonsága különösen alkalmassá teszi őket bizonyos szerepek ellátására. A kutatók évtizedek óta használják DNS vagy RNS molekula rövidebb láncait bizonyos célvegyületek (fehérjék, metabolitok, toxinok) szelektív megkötésére. Az aptamernek nevezett láncdarabok biológiai szenzorokként viselkednek, különféle hatóanyagokat szállítanak specifikus célpontokhoz, és még rengeteg egyéb hasznos alkalmazásuk létezik, amelyek mindegyikével egyetlen nagy probléma van: az aptamerek nagyon sérülékeny eszközök.

XNS-ből építve ugyanezen láncok sokkal ellenállóbbak lennének, viszont megőriznék funkcióképességüket, vagyis képesek lennének adott célpontok felismerésére és megkötésére. Az RNS-hez hasonlóan az XNS-ek többsége bonyolult háromdimenziós szerkezetbe csomagolja magát. Alex Taylor ezt a jellemzőt felhasználva sikeresen létrehozott egy HNS-aptamert, amely képes egy specifikus fehérje és RNS-forma felismerésére. A kutató módszere itt is az evolúciós megközelítés volt: a többféle nukleinsav közül ismételten mindig azokat választotta ki, amelyek leginkább hasonlítottak az RNS-aptamer alakjára.

Pinheiro kísérlete csak egy a genetikai információt hordozni képes molekulák megalkotására irányuló próbálkozások közül. A létra minden egyes eleme megváltoztatható, legalábbis elviekben. Steve Benner, a Foundation for Applied Molecular Evolution munkatársa például két új bázist épített be a meglevők közé (Z, P), és ilyen módon nagyobb információsűrűséget valósított meg.

A kutatók egyetértenek abban, hogy mindez csak a kezdet, a mesterséges genetika egészen új és beláthatatlan lehetőségekkel kecsegtet. Azonban a nehezen elpusztítható szintetikus kreációk kapcsán a kockázat kérdése is óhatatlanul felmerül. Gerald Joyce, a Scripps Intézet munkatársa ezt úgy fogalmazta meg, hogy az alternatív genetikával játszadozó biológusoknak nagyon fontos odafigyelniük arra, hogy ne tévedjenek olyan utakra, amelyek károsíthatják a természetes biológiai rendszereket.

Benner szerint viszont az XNS alkalmazása révén inkább csökkenhet a biotechnológiát övező félelmek szintje. A génmódosítások kapcsán sokan aggódnak amiatt, hogy a módosított gének „elszabadulnak”, és kiszorítják a természetes változatokat. Az XNS esetében ez a veszély nem állhat fenn. Egy DNS és RNS által uralt világban az XNS elhatárolódva üldögélne egy genetikai tűzfal mögött, mivel komoly mesterséges segédeszközök hiányában képtelen lenne arra, hogy genetikai információt cseréljen az élőlényekkel. Ezek a molekulák távol állnak attól, hogy bármiféle természetellenes veszélyt jelentsenek az élővilágra. Okos használattal viszont a biológiai biztonság legfontosabb fegyvereivé válhatnak.

Forrás: https://ipon.hu/elemzesek/xns_%E2%80%92_szintetikus_nukleinsavak/1311/1;

http://www.origo.hu/tudomany/20121214-vilagmegvalto-otletek-dns-nelkuli-szintetikus-letformak.html