Wissenschaftler haben eines der wichtigsten Enzyme der Biologie darauf trainiert, ein genetisches Alphabet mit acht Buchstaben zu lesen, was möglicherweise erweitert, was lebende Systeme konstruiert werden können. Alles bekannte Leben auf der Erde beruht auf demselben genetischen Alphabet mit vier Buchstaben. Forscher der University of California San Diego haben nun gezeigt, dass eines der wichtigsten Enzyme der Biologie eine viel größere Version mit acht genetischen Buchstaben genau lesen und transkribieren kann.
Der Befund deutet darauf hin, dass Zellen ihre vorhandene molekulare Maschinerie nutzen können, um synthetische genetische Informationen zu verarbeiten. Das markiert einen wichtigen Schritt zu einem langjährigen Ziel der synthetischen Biologie: die Sprache der DNA über die vier in der Natur vorkommenden Buchstaben hinaus zu erweitern. In der Zukunft könnten solche Systeme Wissenschaftlern helfen, biologische Maschinerie zu konstruieren, die neue Funktionen ausführt oder Verbindungen produziert, die nicht natürlich existieren.
Wie Zellen ein Acht-Buchstaben-Genetik-Alphabet lesen
Die Forscher konzentrierten sich auf die RNA-Polymerase, das Enzym, das DNA liest und RNA produziert, den ersten Schritt der Genexpression. Um zu sehen, wie das Enzym mit synthetischen genetischen Informationen umgeht, kombinierte das Team biochemische Experimente mit hochauflösender Kryo-Elektronenmikroskopie, die Strukturen in Größenordnungen unterhalb der Breite eines einzelnen Atoms sichtbar machen kann.
Die Forscher erfassten detaillierte strukturelle Ansichten der RNA-Polymerase aus Escherichia coli (E. coli)-Bakterien, während sie zwei synthetische Basenpaare erkannte und einbaute. Diese künstlichen genetischen Buchstaben kommen in der Natur nicht vor. Die Bilder zeigten, dass die RNA-Polymerase die synthetischen DNA-Buchstaben mithilfe vieler derselben biochemischen und strukturellen Signale identifiziert, auf die sie sich auch bei der Erkennung natürlicher Basenpaare verlässt. Dieser Befund hilft zu erklären, warum das Enzym Informationen, die mit einem erweiterten genetischen Alphabet geschrieben sind, genau kopieren kann.
In einer verwandten Studie, die in PNAS veröffentlicht wurde, fand dasselbe Forschungsteam heraus, dass die RNA-Polymerase auch ein weiteres Paar synthetischer Basenpaare erkennen kann, obwohl ihnen die Wasserstoffbrücken fehlen, die normalerweise helfen, DNA-Basenpaare zusammenzuhalten.
Synthetische DNA könnte neue Technologien ermöglichen
Die potenziellen Anwendungen gehen weit über das Verständnis der Funktionsweise der DNA hinaus. Frühere Forschung hat bereits erweiterte genetische Alphabete verwendet, um synthetische DNA-Moleküle zu schaffen, die Leberkrebszellen erkennen können. Indem die neue Forschung im molekularen Detail zeigt, wie die RNA-Polymerase nicht-natürliche DNA-Buchstaben liest und transkribiert, liefert sie eine wichtige Grundlage für Technologien, die auf erweiterten genetischen Codes basieren. Mögliche Anwendungen umfassen neue Diagnosewerkzeuge, Therapeutika und konstruierte biologische Systeme mit Fähigkeiten, die nicht natürlich vorkommen.
Die Studien, geleitet von Dong Wang, PhD, wurden in Nature Communications und PNAS veröffentlicht. Die Arbeit bringt Wissenschaftler näher daran, erweiterte genetische Systeme zu bauen, die völlig neue biologische Funktionen ausführen könnten.
