Klasični bazni pari (A-T in G-C)
Interakcije med novima bazama so hidrofobne.
Teoretično bi lahko z razširjenim genskim kodom zapisali več aminokislin.
Osnove molekularne biologije so dobro znane že vrsto let. Deoksiribonukleinska kislina (DNK) je dolga molekula, v kateri ima vsak organizem zapisan svoj genetski načrt in edina prtljaga, ki jo prinesemo na ta svet. Njen skelet tvorijo molekule sladkorja s petimi ogljikovimi atomi (pentoza) 2-deoksiriboze v ciklični obliki, ki so med seboj povezane prek negativno nabitih fosfatnih skupin. Na vsak sladkor je pripeta še ena izmed štirih osnovnih dušikovih baz - adenin, citozin, gvanin ali timin. Vzporedno s to dolgo verigo, ki se zvije v vijačnico, v nasprotnem smislu teče njena komplementarna veriga, ki ima na istoležnih mestih komplementarne baze. Dušikove baze se namreč vedno povezujejo le v kombinacijah A-T in G-C, v kar jih prisilijo vodikove vezi, ki nastanejo med njimi. Od tod ime dvojna vijačnica. S to štiričrkovno abecedo je zapisan celotni genom vsakega organizma.
Kaj če bi to abecedo razširili? Narava tega ni storila, a to ne predstavlja nobene ovire, da tega ne bi poizkusili ljudje. Sinteza spojin, ki delujejo podobno kot dušikove baze in imajo podobne lastnosti vezanja v pare, ne predstavlja nobene težave. Bistveno teže pa je te delce pripeljati v celico in še teže je celico prepričati, da jih vgradi v DNK. Še teže jo je prepričati, da jih tudi pri podvajanju DNK in celični delitvi vključuje v svoj DNK. Prav to so storili raziskovalci. Še neprimerno teže pa je celico prepričati, da nove bazne pare sama sintetizira, kaj šele da iz njih kaj pametnega ustvari. To še ni uspelo.
Raziskave uvedbe novih baznih parov (UBP, unnatural base pairs) v DNK intenzivno potekajo že 20 let, a jih doslej še niso uspeli vgraditi v celico in jih tam obdržati. Glavni problemi so trije: celice imajo okrog sebe sorazmerno nepropustno membrano, skozi katero je transport večjih molekul natančno reguliran; obstoječi pari dušikovih baz tvorijo izjemno močne interakcije (tri vodikove vezi za C-G, dve za A-T); celični mehanizmi za odkrivanje in odpravljanje napak pri prepisovanju DNK so zelo natančni. Nekaj napak evolucija za svoj tek potrebuje, preveliko število pa je za organizem pogubno.
Takole so storili. Sintetizirali so molekuli z oznakama d5SICS in dNAM, ki sta sterično podobni naravnim dušikovim bazam, le da se povezujeta s hidrofobno interakcijo. (Fiziki in fizikalni kemiki bodo sicer trdili, da hidrofobna interakcija ne obstaja in da gre zgolj entropijski učinek, saj se pri stiku dveh hidrofobnih površin v okolico sprosti ogromno molekul vode iz hidratacijskega ovoja, kar poveča entropijo in zato toliko zniža Gibbsovo prosto energijo procesa, da se ta zgodi. Temu lahko pravimo kvečjemu hidrofobni efekt, a če je termin hidrofobna interakcija dovolj dober za Nature, bo tudi za nas.)
Omenjeni hidrofobni bazi sta primerni za vgradnjo v DNK. In vitro to ni težko izvesti, saj DNK polimeraza v PCR normalno prekopira tudi bazi d5SICS in dNAM (ki ju bomo odslej označevali kot X in Y). To modificirano DNK so v bakterijo vnesli s plazmidom. Plazmidi so kratki skupki (krožne) DNK, ki je sposobna samostojnega podvojevanja in si jih bakterije lahko izmenjujejo. Zato jih uporabljamo tudi v molekularni biologiji, ker predstavljajo učinkovit način za vnos tuje DNK v bakterije, s čimer te lahko pridobijo dodatne lastnosti (recimo za rezistenco, za sintezo kakšnega proteina itd.).
Ko je bakterija E. coli privzela plazmid z baznima paroma X in Y, bi se ta par pri podvojevanju hitro izgubil, ker bakterija nima ustreznega mehanizma za njegovo sintezo. Vnos X in Y v celico ni bil tako preprost, kot so upali na začetku, saj bazi kljub svoji hidrofobnosti nista mogli kar prehajati skozi celično membrano. V algi Phaeodactylum tricornutum so našli transportni protein, ki je bil sposoben prav tega, zato so ga prenesli v bakterijo E. coli. To ni trivialen postopek, saj so morali pripraviti gensko modificirane bakterije (z ustreznim plazmidom, ki kodira gen za ta protein), ki so izražale ta gen na površini svojih celic. Ko je to uspelo, je zadoščalo dodati raztopino baznih parov X in Y v celično okolje, te pa so ju same privzele. Protein, ki je v algah sedel na membrani kloroplasta, je v E. coli povsem spodobno deloval kar na celični membrani.
Po 15 urah, kar je predstavljajo približno 24 podvojitev bakterijske celice, so ugotovili, da se je bazni par X in Y v celicah obdržal 99,4-odstotno. To zagotovo pomeni, da so pridelali linijo celic, ki ima psevdostabilno vključena bazna para X in Y, kar je prvi tovrstni primer v zgodovini.
Sedaj poglejmo še, zakaj pravimo psevdostabilno in česa še niso uspeli storiti. Ujemanje baznih parov ni nikakršna celična čarovnija, ampak posledica termodinamike (in malo tudi kinetike). Interakcija X-Y je močnejša in bolj specifična od interakcij X ali Y z ostalimi naravnimi bazami (A, C, G, T), zato se seveda pri podvojevanju verige vzorec ohrani. Toda, celica potrebuje zalogo ustreznih X- in Y-nukleotidov, ki jih mora imeti v svojem okolju, saj jih ni zmožna sama sintetizirati. (To je tudi razlog, zakaj pravzaprav sploh ne gre za mutacijo, kaj šele da bi lahko nukleotidi X in Y pobegnili v okolico.) Prav tako potrebujemo celico z ustrezno gensko modifikacijo za transportne proteine, da lahko te nukleotide sploh privzame. Brez tega bi se X in Y pri podvojevanju verige pač sparila z eno izmed naravnih baz, vse nadaljnje kopije (razen prve starševske) pa bi namesto X-Y imele G-C.
V člankih pompozno piše, da si lahko na ta način obetamo bakterije, ki bodo lahko proizvajale do 152 novih aminokislin in povsem eksotične proteine. To se sliši lepo, a je še svetlobna leta daleč od realnosti. Prvič, baze X in Y so vstavili v plazmid (sploh ne v kromosomsko DNK), pa še tam v del, ki ne kodira ničesar. Ne pozabimo, da je velik del DNK navadno smetišče, ki ne kodira ničesar in njegova funkcija še ni znana (pri različnih organizmih je delež te odpadne DNK zelo različen). To je logično, saj so se raziskovalci ukvarjali s problemom, kako tuje bazne pare vnesti v celico in v DNK, ne da bi ta razpadla ali da bi DNK-polimeraze pri podvojevanju tega ne popravile (ali celo pohrustale DNaze).
Ni pa bil namen tega odkritja v celice vključiti novih aminokislin. Vsa živa bitja na Zemlji uporabljalo 20 aminokislin (pravimo jim proteinogene aminokisline). Dodatno najdemo še tri, ki v aminokislinska zaporedja vstopajo na drugačne načine pri nekaterih živih bitjih, ostale nenavadne aminokisline pa svoje življenje začno kot ena izmed omenjenih, potem pa jih doletijo posttranslacijske modifikacije (torej spremembe po vgradnji v protein). Malo matematike - besede v jeziku DNK so dolge tri črke in se imenujejo kodoni. Ker imamo štiri različne črke, imamo 64 kodonov, ki kodirajo 20 aminokislin. Nekaj aminokislin ima pač več kodonov, trije pa so še stop kodoni (začetni kodon je isti kot za metionin). Če bi bilo torej evolucijsko koristno, da bi imeli več aminokislin, bi bilo to povsem izvedljivo že z naravno genetsko kodo. Teoretično pa napoved, da je z razširjeno abecedo mogoče kodirati do 152 novih (63-43) aminokislin drži. Trenutno pa sploh še ni jasno, ali se bazni par X-Y prepiše tudi v RNK.
Toda razvoj bo napredoval in potencialne uporabe novega odkritja so mnogotere, zato so raziskovalci že ustanovili spin-out podjetje. To bo preverilo, kako bi bilo mogoče novo odkritje uporabiti za iskanje in razvoj zdravil, diagnostiko, razvoj cepiv itd. Odkritje je torej zgolj vmesna etapa na daljšem projektu.
