Uzyskana zmodyfikowana bakteria E. coli zawiera tylko jedną parę syntetycznych zasad wśród milionów wchodzących w skład jej genomu. Naukowcy mówią jednak, że ich zdaniem możliwe jest uzyskanie komórek posiadających w pełni syntetyczne DNA. Stworzenie takiego organizmu będzie gigantycznym wyzwaniem chociażby ze względu na setki zintegrowanych procesów zachodzących w komórce.

Jak to osiągnąć?

Dla przeciętnego człowieka, wprowadzenie do ściśle zdefiniowanego i znanego od setek lat uniwersalnego układu DNA zbudowanego z dwóch par komplementarnych względem siebie zasad azotowych – guaniny (G) i cytozyny (C) oraz adeniny (A) i tyminy (T), wydaje się niemożliwe. Zespół naukowców z Instytutu Badawczego Ellen Scripps podjął jednak taką próbę, która po 15 latach zakończyła się sukcesem.

Wszystko zaczęło się od opracowania listy 60 chemicznych kandydatów na "nowe zasady DNA" oraz analizy potencjalnych 3600 oddziaływań pomiędzy nimi. Potrzebne były dwie cząsteczki, między którymi powstaną interakcje o sile zbliżonej do oddziaływań między naturalnymi parami zasad azotowych. Zbyt słabe wiązanie zaburzałoby bowiem strukturę podwójnej nici DNA, natomiast zbyt silne uniemożliwiałoby "rozplatanie" tej formy podczas transkrypcji. "Zwycięzcami", po wielu analizach, zostały cząsteczki znane jako d5SICS oraz dNAM. Dalsze badania wykazały, że para ta jest rozpoznawana również przez enzymy zaangażowane w szeroko rozumianą replikację DNA. W kolejnych etapach znaleziono enzymy przeprowadzające syntezę RNA na matrycy półsyntetycznego DNA. Wszystkie analizy prowadzone były jednak do tej pory na poziomie probówki, a więc niezależnie od skomplikowanych mechanizmów obecnych w żywej komórce.

Dlatego też, uzyskanie zmodyfikowanego materiału genetycznego, który podlega procesom enzymatycznym stanowiło dopiero początek. Kolejnym krokiem było uzyskanie komórek zdolnych do przyjęcia obcych par zasad. Ważne było również, aby organizm nie rozpoznawał wprowadzonych celowo zmian jako mutacji i nie poddawał ich procesowi "naprawy" już podczas pierwszych rund replikacji. Poszukiwania stosunkowo łatwego modelu genetycznego doprowadziły do wyboru bakterii E. coli. Przyjęcie przez komórkę obcego DNA uzyskano dzięki wykorzystaniu genu pochodzącego od  jednokomórkowej algi. Gen ten koduje białko umożliwiające transport pożądanych cząsteczek przez błonę bakteryjną.

Po uzyskaniu kompetentnych bakterii E. coli utworzono plazmid zawierający jedną parę syntetycznych zasad, który wprowadzono do komórek. Analiza rund replikacji DNA wykazała, że komórka tak długo utrzymuje w swojej sekwencji "obce" cząsteczki, dopóki ma dostęp do ich źródła, sama bowiem nie jest w stanie ich syntetyzować. W przypadku braku "obcych nukleotydów" w otoczeniu zostają one zamienione na naturalne i dochodzi do rewersji modyfikacji.

Po co to wszystko?

Okrzyknięta jednogłośnie przełomem praca jest krokiem w kierunku otrzymywania komórek zdolnych do syntezy leków czy innych przydatnych cząsteczek. Grupa z Instytutu Badawczego Ellen Scripps nadal pracuje nad zmodyfikowanym DNA, kodującym białka zbudowane z aminokwasów innych niż znane do tej pory. Dodanie dwóch ‘liter do alfabetu DNA’ stwarza bowiem możliwość ogromnych zmian w obrębie kodonów warunkujących sekwencję białek. Jak obrazowo wyjaśnia lider zespołu: "Jeśli czytasz książkę, która została napisana z czterech liter, to nie będziesz w stanie wyczytać wielu ciekawych opowieści. Jeśli wykorzysta się więcej liter, można wymyślać nowe słowa, można znaleźć nowe sposoby wykorzystania tych słów i prawdopodobnie można opowiedzieć więcej ciekawych historii."

Potencjalne zastosowania technologii obejmują więc m.in. wprowadzenie do sekwencji białka toksycznego aminokwasu powodującego, że białko to będzie lekiem przeciwnowotworowym, czy opracowanie świecących aminokwasów umożliwiających mikroskopowe śledzenie wielu reakcji biologicznych.

Same zalety, czy też zagrożenie?

Prace nad modyfikacjami genetycznymi zawsze budzą emocje. Autorzy "obcej bakterii", uprzedzając zarzuty o potencjalnej możliwości uwolnienia się i braku kontroli nad nowymi formami życia poza laboratorium informują, że surowce niezbędne do otrzymania d5SICS oraz dNAM nie występują naturalnie w komórkach. Do replikowania sztucznych par w obrębie DNA niezbędne jest zatem dostarczenie materiałów wyjściowych oraz transportera, który umożliwia ich przenikanie do wnętrza komórki. W przeciwnym wypadku dochodzi do zastępowania d5SICS i dNAM naturalnymi zasadami azotowymi.

Wydaje się więc, że z badaniami tego typu należy wiązać raczej nadzieje niż obawy. Warto zastanowić się jednak, czy nie zbliżamy się do kolejnej granicy, której przekroczenie może poskutkować nieodwracalnymi zmianami w znanym nam do tej pory świecie.