Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι οι πολυμεράσες DNA μπορούν να γράψουν μεγάλες, δομημένες εκτάσεις νέου γενετικού υλικού χωρίς κανένα πρότυπο για αντιγραφή.
Αυτό το εύρημα επαναπλαισιώνει μια πασίγνωστη αλλά παραμελημένη συμπεριφορά ως έναν πιθανό τρόπο δημιουργίας DNA σε μήκη που η τυπική χημεία αγωνίζεται ακόμα να φτάσει.
Στοιχεία στους κλώνους του DNA
Σε χιλιάδες κλώνους DNA τα ένζυμα παρήγαγαν μόνα τους, αυτές οι αλληλουχίες έπαψαν να φαίνονται τυχαίες και αναλύθηκαν σε ξεκάθαρα επαναλαμβανόμενα μοτίβα.
Στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ, οι ερευνητές συνέδεσαν αυτά τα μοτίβα με συγκεκριμένα ένζυμα και ρυθμίσεις αντίδρασης, δείχνοντας ότι η έξοδος ακολουθούσε αναγνωρίσιμους κανόνες.
Αυτοί οι κανόνες παρήγαγαν μοτίβα που κυμαίνονταν από απλές επαναλήψεις έως πιο σύνθετες δομές ακολουθίας, δείχνοντας πολύ μεγαλύτερη τάξη από ό,τι περίμεναν οι επιστήμονες προηγουμένως από τη διαδικασία.
Επειδή οι επιστήμονες μπορούν να κατευθύνουν την έξοδο με μοτίβο με τρόπους που δεν μπορούν να ελέγξουν τον θόρυβο, το εύρημα εγείρει ένα βαθύτερο ερώτημα σχετικά με το πώς λειτουργεί αυτή η ασυνήθιστη διαδικασία γραφής.
“Doodling” DNA
Υπό κανονικές συνθήκες, μια πολυμεράση DNA, ένα ένζυμο που δημιουργεί το DNA ένα γράμμα τη φορά, αντιγράφει έναν υπάρχοντα κλώνο.
Οι επιστήμονες αποκαλούν αυτή την ικανότητα των πολυμερασών DNA να χτίζουν DNA χωρίς πρότυπο «doodling» και οι πρώτες λίγες μονάδες DNA που προστίθενται μπορούν να ενθαρρύνουν περισσότερα από το ίδιο μοτίβο να συνεχίσουν.
Οι αλλαγές στη θερμοκρασία και τα διαθέσιμα δομικά στοιχεία του DNA καθορίζουν ποιες μονάδες προσθέτει το ένζυμο στη συνέχεια, παράγοντας διαφορετικά επαναλαμβανόμενα μοτίβα.
Αυτή η ανατροφοδότηση εξηγεί γιατί τα προϊόντα σχηματίζουν μοτίβα αντί για εντελώς τυχαίες σειρές γενετικού υλικού.
Γιατί το μήκος έχει σημασία
Οι τρέχουσες μέθοδοι δημιουργίας DNA λειτουργούν καλύτερα σε μικρά κομμάτια, επειδή κάθε βήμα που προστίθεται αυξάνει την πιθανότητα να πάει στραβά.
Ακόμη και οι πρόσφατες εξελίξεις κατάφεραν να επεκτείνουν αυτά τα κομμάτια στις χαμηλές χιλιάδες μονάδες DNA, δείχνοντας πόσο δύσκολη παραμένει η κατασκευή.
Αντίθετα, η ίδια διαδικασία χωρίς πρότυπο που περιγράφηκε προηγουμένως παρήγαγε αλυσίδες DNA μήκους δεκάδων χιλιάδων μονάδων σε μία μόνο εκτέλεση.
Αυτή η διαφορά θα μπορούσε να έχει σημασία όταν οι επιστήμονες χρειάζονται μεγάλες εκτάσεις DNA για να δημιουργήσουν γονίδια ή να ελέγξουν πώς συμπεριφέρονται τα κύτταρα.
Ανάγνωση DNA μέσω ηλεκτρικών σημάτων
Για να κατανοήσει τι πραγματικά έκαναν αυτά τα ένζυμα, η ομάδα χρησιμοποίησε μια μέθοδο που διαβάζει το DNA ανιχνεύοντας μικροσκοπικά ηλεκτρικά σήματα καθώς κάθε μονάδα διέρχεται από έναν αισθητήρα.
Αυτή η προσέγγιση τους επέτρεψε να παρακολουθούν ολόκληρες αλυσίδες DNA από την αρχή μέχρι το τέλος αντί να τις σπάνε σε μικρότερα κομμάτια.
Παράλληλα, χρησιμοποίησαν ένα δεύτερο εργαλείο για να χαρτογραφήσουν το φυσικό σχήμα των κλώνων του DNA σε πολύ μικρή κλίμακα.
Ο συνδυασμός της αλληλουχίας και του σχήματος έδωσε μια πιο ξεκάθαρη εικόνα του τι παρήγαγαν τα ένζυμα και πώς σχηματίστηκαν αυτοί οι μακροί κλώνοι DNA.
Έλεγχος της αντίδρασης
Μόλις τα μοτίβα έγιναν ορατά, οι ερευνητές προσπάθησαν να ωθήσουν την αντίδραση αντί απλώς να την παρακολουθήσουν.
Η αλλαγή της θερμότητας άλλαξε το πόσο γρήγορα προστέθηκαν τα γράμματα, γεγονός που άλλαξε την ισορροπία των επαναλαμβανόμενων μπλοκ στα τελειωμένα σκέλη.
Ο περιορισμός της αντίδρασης σε δύο μόνο από τα τέσσερα δομικά στοιχεία του DNA προκάλεσε τα ένζυμα να παράγουν μεγάλες, εξαιρετικά τακτικές επαναλαμβανόμενες διατάσεις – μερικές εκτείνονται σε περισσότερες από 1.000 μονάδες.
Αυτή η προβλέψιμη απόκριση σε απλές αλλαγές έκανε τη διαδικασία να μοιάζει λιγότερο τυχαία και περισσότερο σαν κάτι που οι επιστήμονες μπορούσαν να ελέγξουν σκόπιμα.
DNA χτισμένο από την αρχή
Οι επιστήμονες παρατήρησαν για πρώτη φορά αυτή τη συμπεριφορά πριν από δεκαετίες, όταν πρώιμα πειράματα έδειξαν ότι ορισμένες πολυμεράσες του DNA θα μπορούσαν να αρχίσουν να δημιουργούν νέο DNA ακόμη και χωρίς κλώνο για αντιγραφή.
Ένα έγγραφο του 1960 περιέγραψε ένα από αυτά τα απροσδόκητα προϊόντα, συνδέοντας το αποτέλεσμα μόνο με δύο γράμματα DNA.
«Το Doodling με DNA πολυμεράσες είναι γνωστό εδώ και δεκαετίες, αλλά σε μεγάλο βαθμό αντιμετωπίζεται ως περιέργεια», είπε ο Gorochowski.
Τα αποτελέσματα του Μπρίστολ άλλαξαν αυτό το πλαίσιο δείχνοντας ότι οι ερευνητές μπορούν να χαρτογραφήσουν, να συγκρίνουν και να ωθήσουν το ασυνήθιστο αποτέλεσμα.
Ένα μονοπάτι προς τη γενετική παραλλαγή
Εάν τα κύτταρα μπορούν περιστασιακά να δημιουργήσουν μόνα τους νέα πρότυπα DNA, αυτή η διαδικασία θα μπορούσε να παρέχει μια οδό για τη δημιουργία γενετικής παραλλαγής.
Οι μικρές επαναλήψεις μπορούν να αλλάξουν τον τρόπο με τον οποίο διπλώνει το DNA ή τον έλεγχο των γονιδίων, ακόμη και όταν τα υποκείμενα γράμματα φαίνονται απλά.
Επειδή η νέα εργασία συνέδεσε τις συνθήκες με συγκεκριμένα μοτίβα, έδωσε στους ερευνητές έναν καλύτερο τρόπο να ρωτήσουν πότε θα μπορούσαν να εμφανιστούν τέτοιες ακολουθίες.
Αυτή η ιδέα παραμένει δοκιμαστική στα ζωντανά κύτταρα, αλλά η μελέτη κάνει το ερώτημα πολύ πιο εύκολο να ελεγχθεί άμεσα.
Επιπτώσεις για τη βιοτεχνολογία
Ένα ελεγχόμενο σύστημα βασισμένο σε ένζυμα θα μπορούσε να καταστήσει ευκολότερη και φθηνότερη την κατασκευή μεγάλων τμημάτων DNA, τα οποία επί του παρόντος είναι δύσκολο και αργά να συναρμολογηθούν.
Αυτό το πεδίο σχεδιάζει ή ανοικοδομεί ζωντανά συστήματα για πρακτικές εργασίες και οι μεγάλες ακολουθίες συχνά καθορίζουν τι μπορούν να επιχειρήσουν οι ερευνητές.
«Η δουλειά μας δείχνει ότι είναι μια ρυθμίσιμη διαδικασία με συνέπειες για το πώς δημιουργείται νέο γενετικό υλικό και μια πραγματική δυνατότητα για τη βιοτεχνολογία», είπε ο Gorochowski.
Οποιαδήποτε πρακτική πλατφόρμα, ωστόσο, θα χρειαστεί αξιόπιστο έλεγχο των σφαλμάτων ακολουθίας, της κατανομής μήκους και των ανεπιθύμητων παράπλευρων προϊόντων.
Περιορισμοί μελέτης και μελλοντική έρευνα
Δεν θα είναι χρήσιμο κάθε μακρύ σκέλος που δημιουργείται με doodling, επειδή οι επαναλήψεις μπορεί να κυριαρχούν και η ακριβής σειρά παραμένει δύσκολο να ρυθμιστεί.
Τα κατασκευασμένα ένζυμα μπορεί να βελτιώσουν αυτόν τον έλεγχο, ωστόσο το πεδίο χρειάζεται ακόμα πιο καθαρούς τρόπους για να ξεκινήσει, να σταματήσει και να επαληθεύσει κάθε προϊόν.
Τα ερωτήματα ασφαλείας έχουν επίσης σημασία όταν οι επιστήμονες μετακινηθούν από μικτά πειραματικά σκέλη σε σχεδιασμένα βιολογικά μέρη που προορίζονται για πραγματικές εφαρμογές.
Αυτά τα όρια διατηρούν την εργασία στη φάση της έρευνας, παρόλο που το βασικό αποτέλεσμα φαίνεται πιο πρακτικό από πριν.
Αυτό που προκύπτει είναι μια εικόνα των πολυμερασών DNA ως περισσότερο από ένζυμα αντιγραφής, ικανά να παράγουν υλικό με μακριά σχέδια.
Οι μελλοντικές εργασίες θα χρειαστούν αυστηρότερο έλεγχο και καλύτερους ελέγχους σφαλμάτων, αλλά το αποτέλεσμα διευρύνει ήδη αυτό που οι επιστήμονες μπορούν να ζητήσουν από τα ένζυμα να κάνουν.
Η μελέτη δημοσιεύεται στο περιοδικό Επικοινωνίες για τη φύση.
––
Σας αρέσει αυτό που διαβάζετε; Εγγραφείτε στο ενημερωτικό μας δελτίο για ενδιαφέροντα άρθρα, αποκλειστικό περιεχόμενο και τις τελευταίες ενημερώσεις.
Ρίξτε μια ματιά στο EarthSnap, μια δωρεάν εφαρμογή που σας φέρνουν οι Eric Ralls και Earth.com.
––
