Enzimler Yapay DNA’yı Gerçeğinden Ayıramıyor
Araştırmacılar, daha önce hiç görülmemiş proteinler yapmak için genetik alfabeye harflerin nasıl ekleneceğini araştırıyor.
Genetik alfabe, tüm DNA’yı oluşturan biyokimyasal yapı taşları olan dört nükleotide atıfta bulunan yalnızca dört harf içerir. Bilim insanları uzun zamandır laboratuvarda yepyeni nükleotidler oluşturarak bu alfabeye daha fazla harf eklemenin mümkün olup olmadığını merak ediyordu, ancak bu yeniliğin faydası hücrelerin protein yapmak için yapay nükleotidleri gerçekten tanıyabilmesine ve kullanıp kullanamamasına bağlı.
Şimdi, Kaliforniya San Diego Üniversitesi Skaggs Eczacılık ve Eczacılık Bilimleri Okulu’ndaki araştırmacılar, yapay DNA’nın potansiyelini ortaya çıkarmaya bir adım daha yaklaştılar. Araştırmacılar, protein sentezinde yer alan en önemli enzimlerden biri olan RNA polimerazın, yapay bir baz çiftini, doğal baz çiftleriyle tamamen aynı şekilde tanıyabildiğini ve kopyalayabildiğini buldu.
Nature Communications’da 12 Aralık 2023’te yayınlanan bulgular, bilim adamlarının özel proteinler tasarlayarak yeni ilaçlar oluşturmasına yardımcı olabilir.
UC San Diego’daki Skaggs Eczacılık ve Eczacılık Bilimleri Okulu’nda profesör olan kıdemli yazar Dong Wang, PhD, “Yeryüzünde yaşamın sadece dört nükleotidle ne kadar çeşitli olduğu göz önüne alındığında, daha fazlasını ekleyebilirsek neler olabileceğine dair olasılıklar cazip geliyor” dedi. . “Genetik kodun genişletilmesi, laboratuvarda sentezleyebileceğimiz moleküllerin çeşitliliğini büyük ölçüde çeşitlendirebilir ve terapötik olarak tasarımcı proteinlere yaklaşımımızda devrim yaratabilir.”
Wang, çalışmayı Uygulamalı Moleküler Evrim Vakfı’ndan PhD Steven A. Benner ve Salk Biyolojik Araştırmalar Enstitüsü’nden PhD Dmitry Lyumkis ile birlikte yönetti.
DNA’yı oluşturan dört nükleotid, adenin (A), timin (T), guanin (G) ve sitozin (C) olarak adlandırılır. Bir DNA molekülünde nükleotidler, Watson ve Crick geometrisi adı verilen benzersiz bir moleküler geometriye sahip baz çiftleri oluştururlar. Adını 1953 yılında DNA’nın çift sarmal yapısını keşfeden bilim adamlarından almıştır. Bu Watson ve Crick çiftleri her zaman aynı konfigürasyonda oluşur: A-T ve C-G. DNA’nın çift sarmal yapısı, çok sayıda Watson ve Crick baz çiftinin bir araya gelmesiyle oluşur.
Wang, “Bu, biyolojik bilgiyi kodlamak için son derece etkili bir sistem, bu nedenle transkripsiyon ve çeviride ciddi hatalar nispeten nadirdir” dedi. “Ayrıca öğrendiğimiz gibi, aynı geometriyi sergileyen sentetik baz çiftlerini kullanarak bu sistemden yararlanabiliriz.”
Çalışma, iki yeni baz çiftini içeren Yapay Olarak Genişletilmiş Genetik Bilgi Sistemi (AEGIS) adı verilen standart genetik alfabenin yeni bir versiyonunu kullanıyor. İlk olarak Benner tarafından geliştirilen AEGIS, dünya dışı yaşamın nasıl gelişebileceğini anlamaya çalışan NASA destekli bir girişim olarak başladı.
RNA polimeraz enzimlerini bakterilerden izole ederek ve bunların sentetik baz çiftleriyle etkileşimlerini test ederek, AEGIS’teki sentetik baz çiftlerinin, doğal baz çiftlerinin Watson ve Crick geometrisine benzeyen geometrik bir yapı oluşturduğunu buldular. Sonuç: DNA’yı kopyalayan enzimler, bu sentetik baz çiftleri ile doğada bulunanlar arasındaki farkı anlayamıyor.
Wang, “Biyolojide yapı işlevi belirler” dedi. “Standart baz çiftleriyle benzer bir yapıya uyum sağlayarak, sentetik baz çiftlerimiz radarın altına girebilir ve olağan transkripsiyon sürecine dahil edilebilir.”
Bulgular, sentetik biyoloji olanaklarını genişletmenin yanı sıra, Watson ve Crick’in orijinal keşfine kadar uzanan bir hipotezi de destekliyor. Tautomer hipotezi olarak adlandırılan bu hipotez, standart dört nükleotidin, tautomerizasyon veya nükleotitlerin aynı bileşime sahip çeşitli yapısal varyantlar arasında salınma eğilimi nedeniyle uyumsuz çiftler oluşturabileceğini söylüyor. Bu fenomenin, nokta mutasyonlarının veya DNA dizisindeki yalnızca bir baz çiftini etkileyen genetik mutasyonların bir kaynağı olduğu düşünülmektedir.
Wang, “Tautomerizasyon, nükleotidlerin genellikle beklenmediğinde çiftler halinde bir araya gelmesine olanak tanıyor” dedi. “Çoğaltma ve çeviri süreçlerinde yanlış çiftlerin totomerizasyonu gözlemlendi, ancak burada totomerizasyonun transkripsiyon sırasında da gerçekleştiğine dair ilk doğrudan yapısal kanıtı sağlıyoruz.”
Araştırmacılar bundan sonra burada gözlemledikleri etkinin diğer sentetik baz çiftleri ve hücresel enzim kombinasyonlarında tutarlı olup olmadığını test etmekle ilgileniyorlar.
Wang, “Steve ve Dmitry ile genişletilmiş alfabede transkripsiyonun moleküler temelini ele almamıza olanak tanıyan çok disiplinli, işbirlikçi bir ekip oluşturmaktan heyecan duyuyoruz” dedi. “Burada test ettiğimizin dışında yeni harfler için başka pek çok olasılık olabilir, ancak bunu ne kadar ileri götürebileceğimizi bulmak için daha fazla çalışmamız gerekiyor.”
Ortak yazarlar arasında UC San Diego’dan Juntaek Oh, Jun Xu ve Jenny Chong, Salk Biyolojik Bilimler Enstitüsü’nden Zelin Shan ve Uygulamalı Moleküler Evrim Vakfı’ndan Shuichi Hoshika yer alıyor.
