211service.com
X oznacza miejsce dla Jumbo DNA
Gorąca akcja w wielu dziedzinach technologii obraca się wokół tego, jak zmniejszać i zmniejszać rzeczy. Przeciwstawiając się temu trendowi, naukowcy z Uniwersytetu Stanforda zsyntetyzowali sztuczną nić DNA z cząsteczkami około 15 procent większymi niż naturalna odmiana. To tak zwane xDNA ma właściwości, których brakuje w małym DNA, które gotuje natura. Na przykład jest bardziej stabilny. Świeci się również w świetle ultrafioletowym. Cechy te sugerują, że xDNA może być przydatne w procedurach diagnostyki genetycznej i potencjalnie w sztucznych formach życia. Naszym największym zainteresowaniem jest to, czy możemy zaprojektować własny system genetyczny, mówi profesor chemii Eric Kool, który kierował zespołem badawczym Stanford. Myślę, że jesteśmy na dobrej drodze.
To, co odróżnia xDNA od zwykłego DNA, to jego struktura. Zwykle DNA jest ciągiem nukleotydów, z których każdy zawiera cukier, fosforan i zasadę: adeninę, tyminę, guaninę lub cytozynę (reprezentowane w opisach DNA jako A, T, G i C). Kiedy nici DNA łączą się ze sobą, zasady dopasowują się w szczególny sposób: adenina zawsze wiąże się z tyminą, a guanina z cytozyną.
Około trzydzieści lat temu Nelson Leonard, wówczas chemik z University of Illinois, a teraz z California Institute of Technology, znalazł sposób na rozciągnięcie adeniny tak, aby fluoryzowała pod wpływem światła ultrafioletowego. To, czego Leonard nie mógł zrobić, to dołączyć cukier i fosforan do bazy, tworząc kompletny nukleotyd; naukowcy w tamtym czasie nie wiedzieli, jak zrobić DNA, chociaż obecnie proces tworzenia sztucznych nici jest powszechnie stosowany w genetycznej diagnostyce medycznej.
To, czego szukał Kool, to sposób na stworzenie podwójnej helisy DNA. Najpierw zsyntetyzował dwie rozszerzone zasady: adeninę i tyminę (xA i xT). Następnie stworzył nukleotydy z zasad xA i xT z odpowiednimi cukrami i fosforanami. Łącząc xA z normalnym T i xT z normalnym A, Kool był w stanie złożyć je w podwójną helisę wystarczająco szeroką, aby pomieścić rozciągnięte podstawy.
Budowa nukleotydów zajęła cztery lata pracy. Kool rozpoczął od zaprojektowania struktury rozciągniętych zasad, następnie przeszedł do syntezy, która wymagała znalezienia odpowiednich form cukrów i fosforanów. Zrobiliśmy reakcję chemiczną po reakcji chemicznej po reakcji chemicznej, mówi Kool. Oczyszczanie wyników może zająć dni, a nawet tygodnie. A ponieważ takiej syntezy nie dokonano wcześniej, było wiele ślepych zaułków.
Gdy badacze zsyntetyzowali stabilne, bardzo duże nukleotydy, użyli dostępnego na rynku sprzętu do połączenia ich w sekwencje DNA. Naturalne DNA wymaga około 10,5 sparowanych kroków nukleotydowych, aby wykonać jeden pełny obrót w podwójnej helisie. Powiększone podstawy zwiększają średnicę spirali, co w rezultacie wymaga większej liczby takich kroków. Będąc większym, struktura molekularna zapewnia zwiększoną stabilność; podczas gdy naturalne DNA w laboratorium Koola rozpadło się w 21C, xDNA pozostało nienaruszone do 56C. Badania Koola pokazują, że podwójna spiralna struktura [naturalnego] DNA nie musi być jedyna, mówi Danith Ly, asystent profesora chemii na Carnegie Mellon University i ekspert w opracowywaniu narzędzi chemicznych do badania genomiki i proteomiki.
Ostateczne dążenie Koola do stworzenia systemu genetycznego skrojonego na miarę jest trudnym zadaniem – i nie wymaga pośpiechu, mówi Ly: Aby funkcja biologiczna mogła istnieć niezależnie od czegokolwiek, potrzebuje białek, lipidów, enzymów – wszelkiego rodzaju rzeczy. Dla nas zrobienie tego w ciągu następnych stu lat mogłoby być możliwe, ale byłoby to trudne. A wcześniej Kool musi stworzyć rozszerzone wersje baz G i C, które prawdopodobnie będą porównywalne pod względem trudności z jego pracą nad xA i xT.
Pomijając scenariusze science fiction z projektantami genów, Kool wierzy, że xDNA ma praktyczne znaczenie w diagnostyce, szczególnie w ulepszaniu istniejących procedur medycznych, które wykrywają stany zdrowia w oparciu o strukturę DNA danej osoby. Klinicyści poszukujący konkretnego DNA lub RNA u osoby pobierają próbkę tkanki i wprowadzają sztuczną nić DNA, która połączy się z tym materiałem. Techniki, które zmywają wszystko poza związanymi parami zawierającymi sztuczne DNA, pozwalają laboratoriom łatwo przeszukiwać to, co pozostało. Jeśli nie wiąże się prawidłowo, wiesz, że to albo mutacja, albo [poszukiwane] DNA nie istnieje, mówi Paul Billings, wiceprezes i krajowy dyrektor genetyki i genomiki w Laboratory Corporation of America, firmie zajmującej się testami diagnostycznymi w Burlington, Karolina Północna.
Ponieważ xDNA wiąże się silniej niż zwykłe DNA, byłoby bardziej odporne w tym procesie testowania. Co więcej, jego naturalna fluorescencja może działać jak latarnia morska, ułatwiając wykrywanie. Nawet jeśli technika była czymś więcej niż tylko laboratoryjną ciekawostką, jej użyteczność diagnostyczna musiałaby zostać wykazana w terenie. Przede wszystkim trzeba udowodnić, że dostaje się do komórek i zachowuje się w inny sposób, jak inne DNA, mówi Billings. Po drugie, musisz udowodnić, że jest lepszy niż inne metody. Istnieją dobrze ugruntowane metody, które działają obecnie i nie ma jeszcze dowodów na to, że właściwości wiązania i fluorescencyjne xDNA byłyby wyraźną poprawą.
Co więcej, właściwości fluorescencyjne xDNA prawdopodobnie wymagałyby dostosowania, mówi Ly. Według artykułu zespołu Koola, cząsteczka świeci się, gdy jest oświetlona światłem ultrafioletowym o długości fali około 390 nanometrów. Tkanki nie absorbują zbyt dobrze na tych długościach fal, zauważa Ly, sugerując, że do celów diagnostycznych podstawa musiałaby być dostosowana tak, aby reagowała na światło, które było bliżej czerwonego końca widma. Jednak według Koola niekoniecznie stanowiłoby to istotny problem przy badaniu wystarczająco cienkich warstw tkanki. W rzeczywistości nukleotydy xDNA mogą nawet zmieniać kolor lub intensywność fluorescencji podczas wiązania z naturalnym DNA lub RNA – zjawisko, które dodaje więcej możliwych narzędzi do zestawu diagnostycznego. Nazwij to wielkim światłem dla pracowników medycznych.