Wetenschappers hebben een van de essentiële enzymen van de biologie geleerd om een achtletterig genetisch alfabet te lezen, wat mogelijk uitbreidt wat levende systemen kunnen worden gebouwd om te doen. Al het bekende leven op aarde is afhankelijk van hetzelfde vierletterige genetische alfabet. Onderzoekers van de University of California San Diego hebben nu aangetoond dat een van de belangrijkste enzymen in de biologie een veel grotere versie met acht genetische letters nauwkeurig kan lezen en transcriberen.
De bevinding suggereert dat cellen hun bestaande moleculaire machinerie kunnen gebruiken om synthetische genetische informatie te verwerken. Dat markeert een belangrijke stap richting een lang gekoesterd doel in de synthetische biologie: het uitbreiden van de taal van DNA voorbij de vier letters die in de natuur voorkomen. In de toekomst zouden dergelijke systemen wetenschappers kunnen helpen biologische machines te bouwen die nieuwe functies uitvoeren of verbindingen produceren die niet van nature bestaan.
Hoe cellen een achtletterig genetisch alfabet lezen
De onderzoekers richtten zich op RNA-polymerase, het enzym dat DNA leest en RNA produceert, de eerste stap in genexpressie. Om te zien hoe het enzym synthetische genetische informatie verwerkt, combineerde het team biochemische experimenten met cryo-elektronenmicroscopie met hoge resolutie die structuren kan onthullen op schalen kleiner dan de breedte van een enkel atoom.
De onderzoekers legden gedetailleerde structurele beelden vast van RNA-polymerase van Escherichia coli (E. coli) bacteriën terwijl het twee synthetische basenparen herkende en incorporeerde. Deze kunstmatige genetische letters komen niet in de natuur voor. De beelden toonden aan dat RNA-polymerase de synthetische DNA-letters identificeert met veel van dezelfde biochemische en structurele signalen die het gebruikt om natuurlijke basenparen te herkennen. Die bevinding helpt verklaren waarom het enzym informatie die is geschreven met een uitgebreid genetisch alfabet nauwkeurig kan kopiëren.
In een gerelateerde studie gepubliceerd in PNAS ontdekte hetzelfde onderzoeksteam dat RNA-polymerase ook een ander paar synthetische basenparen kan herkennen, zelfs zonder de waterstofbruggen die normaal helpen DNA-basenparen bij elkaar te houden.
Synthetisch DNA kan nieuwe technologieën mogelijk maken
De mogelijke toepassingen reiken veel verder dan het begrijpen van hoe DNA werkt. Eerder onderzoek heeft al uitgebreide genetische alfabetten gebruikt om synthetische DNA-moleculen te creëren die leverkankercellen kunnen herkennen. Door in moleculair detail te laten zien hoe RNA-polymerase niet-natuurlijke DNA-letters leest en transcribeert, biedt het nieuwe onderzoek een belangrijke basis voor technologieën die zijn gebouwd rond uitgebreide genetische codes. Mogelijke toepassingen zijn onder meer nieuwe diagnostische hulpmiddelen, therapieën en gemanipuleerde biologische systemen met mogelijkheden die niet van nature voorkomen.
De studies, geleid door Dong Wang, PhD, werden gepubliceerd in Nature Communications en PNAS. Het werk brengt wetenschappers dichter bij het bouwen van uitgebreide genetische systemen die volledig nieuwe biologische functies zouden kunnen uitvoeren.
