Floridas elavad poolsünteetilised eluvormid ({{commentsTotal}})

Autor/allikas: Synthorx

Inimest kirjeldava raamatu kirjutamiseks ei peaks kasutama rohkem kui nelja erinevat tähte. Rohkem sümboleid ei peaks kasutama ka ühegi teise Maa loodusliku eluvormi puhul. Scrippsi teadusinstituudis elavate koliakterite tõttu peavad elubiograafid lisama nüüd oma trükimasinatele siiski kaks täiendavat klahvi. Tegu on esimeste tõeliselt poolsünteetiliste eluvormidega, mis planeedil kunagi elanud.

„Ükskõik, kuhu me looduses vaatame, erinevus sinu ja minu, erinevus lihtsaima bakteriraku ja inimese vahel – kõike seda mitmekesisust kodeeritakse nelja nukleotüübi, nelja tähe ja kahe aluspaari abil. Nii kaugele, kui me suudame ajalukku vaadata, on see olnud miljardite aasta vältel alati niimoodi,“ mõtiskles Floyd Romesberg, verstapostini jõudnud töörühma juht ERR Novaatorile antud intervjuus.

Paradigma nihe
Biokeemikud on sünteetilise pärilikkusaine loomise peale tõsiselt mõelnud viimased kolmkümmend aastat. Enne seda peeti elu enda aluskoodi loomist sisuliselt võimatuks. Hoolimata sellest, et katseklaasidesse olid selleks ajaks jõudnud tehislikud ensüümid, antikehad, üksikutest peptiididest rääkimata. Kuid isegi 1980. aastatel, kui tehis-DNA`le tähelepanu pöörama hakati, jäädi alalhoidlikuks.

Miniatuurse revolutsioonini viis alles tõdemus, et DNA kaksikahela koos hoidmiseks ja kopeerimiseks ei pea olema selle üksikosad seotud ilmtingimata vesiniksidemetega. Polümeraas, uut DNA-d sünteesiv tööhobune suudab looduslike nukleiinhapete asemel tehislikke kasutada sisuliselt millal iganes. Peaasi, et nende kuju matkib loodusliku alusbaasi piisavalt hästi Teadlaste loodud pärilikkusaine toimis isegi liiga hästi. Kui tehislikke nukleiinhappeid pannakse looduslike nukleiinhapetega paari liiga tihti, hakkavad võõrad tähed koopiate tegemisel pikapeale pärilikkusainest kaduma.

Sünteetilise elu suunas
Lahendus peitus DNA-st erinevate keemiliste omadustega tehislike aluspaaride kasutamises. DNA moodustavad nukleiinhapped on hüdrofiilsed ehk veelembesed. „Meie aluspaarid on aga väga hüdrofoobsed ehk meenutavad õli. Nagu kõik teavad ei segune vesi ja õli väga hästi. Seega ei taha nad looduslike alusbaasidega paarduda. Üks probleem oli koheselt lahendatud. Me saime keskenduda sellele, et tehislikud alused teineteisega hästi sobituma panna,“ meenutas Romesberg. Viimaks suudeti tehislikke tähti sisaldavat pärilikkusainet kopeerida katseklaasis 99 protsendilise täpsusega.

Progress oli kõike muud kui kiire. Pea 15 aasta jooksul jõudis Romesbergi kõrval töötada rohkem kui tosin magistritudengit ja järeldoktorit. „Meie esimene aluspaar oli 1999. aastal lihtsalt kohutav- See ei meeldinud looduslikele nukleiinhapetele kohe üldse. Aastate vältel sünteesisime me 300 erinevat tehislikku analoogi. Alles 2009. aastal oli meil midagi, mida suudeti hästi paljundada. Alles siis tekkis meil õhkõrn lootus, et see võiks toimida ka elavas rakus,“ lisas biokeemik.

Õnnelik viga
Idee hüdrofoobsete aluspaaride kasutamisest kasvas tegelikult välja eelnevalt läbikukkunud eksperimendist. Töörühm lootis, et mittemärguvad aluspaarid suudavad iseseisvalt rakku tungida. Nii pidi Romesberg leidma lõpuks lisaks ikkagi viisi, kuidas tehislikud nukleotüübid rakku viia. „See jäi meie jaoks üheks suuremaks väljakutseks. Kui sinna ei jõua piisavalt palju tehislikke fosfaate, hakkavad tehislikud aluspaarid samuti geneetiliselt koodist kaduma,“ nentis Romesberg.

Nõnda lisas töörühm Coli-bakterile lõpuks vetikalt pärineva geeni, mis annavad sellele võime tõmmata keskkonnast rakku 'ebaloomulikke' trifosfaate. Viimaks sünteesis Romesberg kolleegidega väikese DNA silmuse – plasmiidi, millesse oli lisatud tehislik aluspaar. Töörühm arvas, et sellega pole nende katsumused plasmiidi rakus kopeerimiseks lõppenud. Probleempunktidena nähti nii DNA polümeraaside võimet tehislikku aluspaari ära tunda ja pärilikkusaine parandusmehhanismide kalduvust neid parandamist nõudvaks objektiks pidada.

Sünteetilise bioloogia tuum
Kuid üllatavalt hakkasid polümeraasid plasmiide paljundama. Tehislikke aluspaare võis kohata valdavas enamikus jagunevates bakterites isegi nädal aega hiljem. Need hakkasid geenikoodist kaduma alles siis, kui keskkonnast 'ebaloomulikud' trifosfaadid lõppesid. Viimases peitub ka kaitsemehhanism, mis sünteetilise eluvormi laboriseintest väljaspool paljunemisele piiri paneb. „Neid ei või kohata kusagil mujal looduses. Loodus ei suuda neid isegi teha, seeläbi oleme veendunud, et loodusesse sattudes muutub see uuesti tavaliseks Coli-bakteriks,“ märkis Romesberg.

„Siin peitub minu arvates ka tõelise sünteetilise bioloogia olemus. Mõned teised valdkonnas töötavad teadlased tegelevad lihtsalt looduslike süsteemide ümberkorraldamisega, neil on kõik vajalikud komponendid juba olemas. Seeläbi võivad taolised sünnitised ka igal pool elada ja paljuneda,“ lisas biokeemik. Tema sõnul on sünteetiline eluvorm hästi konstrueeritud, kui tehtud lisandused rakkude ja organismide loomulikku talitlust üldse ei häiri. Neil on lihtsalt lisafunktsionaalsus, mida looduses elavatel organismidel üleüldse puudub.

Uued võimalused
Kuid miks üleüldse geneetilist koodi uute tähtedega täiendada? Romesberg toob paralleeli keelega. Kui tähestikus oleks 32 tähe asemel näiteks 43 tähte, saaks moodustada ka kordades rohkem sõnu ja lauseid. Sõnu asendavad geneetilises koodis koodonid – konkreetsele aminohappele vastav nukleotiidikolmik – ja lauseid valgud, mille ehitamiseks koodoneid kasutatakse. Kui looduslike aluspaaridega saab moodustada 64 koodonit ja valkude ehitamiseks saab kasutada 20 aminohapet, siis kolme aluspaariga kasvab koodonite ja aminohapete hulk vastavalt 216 ja 172'ni.

„Isegi ühe tehisliku aluspaari lisamisega kasvab kodeeritava informatsiooni hulk hüppeliselt! Ent kui me suudame luua valke, mis koosnevad mitmetest tehislikest aminohapetest, algab tõeline lõbu. Me saame hakata uurima, mida need proteiinid oa lisafunktsionaalsusega teha suudavad. Me oleme justkui lapsed kommipoes,“ mõtiskles Romesberg. Senitundmatute aminohapete kasutusalad on piiratud ainult kujutlusvõime ulatusega, esmajoones võiks sünteetilisest bioloogiast võita näiteks meditsiin ja energeetika valdkond.

Lähitulevik
Kuid tuleb rõhutada, et Romesbergi saavutuse näol on tegu alles ühe esimese sammuga pikal teel. „Me peame taoliselt kodeeritud info kuidagi kätte saama. Nii peame me esmalt näitama, et ebaloomulikku DNA-d sisaldava pärilikkusaine transkriptsioon töötab sama hästi kui loodusliku DNA oma. Sarnaselt peame kindlustama, et see info lõpuks ka valkudena avaldub,“ nentis Romesberg. Valkude sünteesimise peale saab tõsiselt mõtlema hakata alles siis.

Samuti jääb veel ebaselgeks, kui palju tehislikku pärilikkusainet looduslikku DNA-sse seda ebastabiilseks muutmata põimida saab. „Me saatsime Nature'ile artikli avaldamiseks viis kuud tagasi. Selle ajaga oleme me samasse plasmiidi juba mitmeid aluspaare ja töötame selles suunas, et lisada mitmeid erinevat tüüpi aluspaare,“ lisas biokeemik.

Uurimus ilmus ajakirjas Nature.



Hea lugeja, näeme et kasutate vanemat brauseri versiooni või vähelevinud brauserit.

Parema ja terviklikuma kasutajakogemuse tagamiseks soovitame alla laadida uusim versioon mõnest meie toetatud brauserist: