Een paar miljard jaar geleden dansten vier moleculen in de elegante dubbele helixstructuur van DNA, die de codes voor leven op onze planeet levert. Maar waren deze vier spelers echt fundamenteel voor het uiterlijk van het leven - of hadden anderen ook onze genetische code kunnen veroorzaken?
Een nieuwe studie, die vandaag (20 februari) in het tijdschrift Science is gepubliceerd, ondersteunt de laatste stelling: wetenschappers hebben onlangs een nieuw soort DNA in zijn elegante dubbele helixstructuur gegoten en ontdekten dat het eigenschappen had die het leven konden ondersteunen.
Maar als natuurlijk DNA een kort verhaal is, is dit synthetische DNA een Tolstoj-roman.
De onderzoekers maakten het synthetische DNA met behulp van vier extra moleculen, zodat het resulterende product een code had die uit acht letters bestond in plaats van vier. Met de toename van letters had dit DNA een veel grotere capaciteit om informatie op te slaan. Wetenschappers noemden het nieuwe DNA "hachimoji" - wat in het Japans "acht letters" betekent - een uitbreiding op het eerdere werk van verschillende groepen die een soortgelijk DNA hadden gemaakt met zes letters.
De code schrijven
Natuurlijk DNA bestaat uit vier moleculen, stikstofbasen genaamd, die met elkaar paren om de code voor het leven op aarde te vormen: A bindt zich met T; G bindt aan C. Het Hachimoji-DNA omvat deze vier natuurlijke basen, plus nog vier synthetisch gemaakte nucleotidebasen: P, B, Z en S.
De onderzoeksgroep, die verschillende teams in de Verenigde Staten omvatte, creëerde honderden van deze Hachimoji dubbele helixen met verschillende combinaties van de natuurlijke en synthetische nucleotide-basenparen. Vervolgens voerden ze een reeks experimenten uit om te zien of de verschillende dubbele helixen eigenschappen hadden die nodig waren om het leven te ondersteunen.
Natuurlijk DNA heeft een kenmerkende eigenschap die geen enkel ander genetisch molecuul lijkt te hebben: het is stabiel en voorspelbaar. Dat betekent dat onderzoekers precies kunnen berekenen hoe het zich zal gedragen bij bepaalde temperaturen en omgevingen, ook wanneer het zal verslechteren.
Maar het blijkt dat de onderzoekers dit ook konden doen met het Hachimoji-DNA - ze konden een reeks regels bedenken die de stabiliteit van het DNA kunnen voorspellen wanneer het wordt blootgesteld aan verschillende temperaturen.
Vereisten voor het leven
De bevinding dat het mogelijk is om de vier synthetische bases toe te voegen en toch een "code te krijgen die voorspelbaar en programmeerbaar is ... dat is nog nooit eerder voorgekomen", zei Floyd Romesberg, een chemieprofessor bij Scripps Research in Californië, die geen deel uitmaakte van de studie, maar die eerder gepubliceerd onderzoek naar een eerdere code van zes letters. Dit "mijlpaalpapier" suggereert inderdaad dat G, C, A en T "niet uniek zijn", vertelde Romesberg aan WordsSideKick.com.
Senior auteur Steven Benner,een voorname kerel bij de Stichting voor Toegepaste Moleculaire Evolutie in Florida, was het daarmee eens. Als ergens anders in het universum het leven ook in DNA is gecodeerd, zal het niet "precies hetzelfde zijn als wat we hier op aarde hebben", vertelde Benner aan WordsSideKick.com. 'Het is erg handig om dit soort experimenten in het laboratorium te hebben om te begrijpen welke alternatieve structuren er zijn.'
Maar het creëren van DNA dat informatie opslaat is niet genoeg, merkte Benner op. Het moet ook de mogelijkheid hebben om die informatie over te dragen naar zijn zustermolecuul RNA, zodat dat RNA vervolgens eiwitten kan instrueren om alle zaken in een organisme uit te voeren.
Met dat in gedachten ontwikkelden de onderzoekers synthetische enzymen - eiwitten die een reactie vergemakkelijken - die met succes Hachimoji-DNA naar Hachimoji-RNA hebben gekopieerd. Bovendien ontdekten ze dat het RNA-molecuul zich kon vouwen in een soort L-vorm die nodig zou zijn om informatie verder over te dragen.
Bovendien moeten de DNA-strengen in dezelfde driedimensionale structuur kunnen draaien - de beroemde dubbele helix.
Het team creëerde drie kristalstructuren van Hachimoji-DNA, elk met verschillende sequenties van de acht basenparen, en ontdekte dat ze inderdaad elk de klassieke dubbele helix vormden.
Toch, om het Hachimoji-DNA het leven te laten ondersteunen, is er een vijfde vereiste, zei Benner. Dat wil zeggen, het moet zelfvoorzienend zijn of het vermogen hebben om zelfstandig te overleven. De onderzoekers stopten echter met het onderzoeken van deze stap, om te voorkomen dat het molecuul een biologisch gevaar zou worden dat op een dag zijn weg zou vinden in de genomen van organismen op aarde.
Een groeiende woordenschat
Afgezien van glimmende alternatieven voor het leven in de kosmos, heeft deze achtletterige DNA-streng ook toepassingen hier op onze planeet. Een achtletterig genetisch alfabet zal meer informatie opslaan en meer specifiek binden aan bepaalde doelen, zei Benner. Hachimoji-DNA kan bijvoorbeeld worden gebruikt om te binden aan leverkankercellen of anthrax-toxines, of om chemische reacties te versnellen.
"Door het aantal letters te verhogen van zes naar acht, neemt de diversiteit van DNA-sequenties enorm toe," Ichiro Hirao, een synthetische moleculair bioloog aan het Institute of Bioengineering and Nanotechnology, A * STAR in Singapore, die ook geen deel uitmaakte van de studie , zei een e-mail. (Hirao's team was echter ook betrokken bij eerder onderzoek dat zesletterige DNA-strengen creëerde)
Natuurlijk, "dit is slechts een eerste demonstratie" van een achtletterige dubbele DNA-helix, en voor praktisch gebruik moeten we de nauwkeurigheid en efficiëntie van replicatie en transcriptie naar RNA verbeteren, zei Hirao in een e-mail. Hij stelt zich voor dat ze uiteindelijk misschien nog meer letters kunnen opbouwen.
