Το DNA είχε έναν κανόνα. Τα βακτήρια δεν έλαβαν το σημείωμα

Το DNA σας δεν δημιουργήθηκε ποτέ από την αρχή.Â

Σκεφτείτε το σαν μια συνταγή — μεταβιβάστηκε από γονέα σε παιδί για αμέτρητες γενιές, μέχρι 4 δισεκατομμύρια χρόνια πίσω στην αρχαιότερη ζωή στη Γη. Με τροποποιήσεις και αλλαγές που συσσωρεύονται στην πορεία, αλλά πάντα αντιγράφονται από κάτι που ήδη υπήρχε.Â

Αυτός είναι ο μόνος κανόνας που ίσχυε όλη την ώρα: για να φτιάξετε DNA, χρειάζεστε υπάρχον γενετικό υλικό για να αντιγράψετε.

Οι επιστήμονες μόλις βρήκαν μια πρωτεΐνη που παραβιάζει αυτόν τον κανόνα.

Ένας μηχανισμός που κανείς δεν έχει ξαναδεί

«Ήταν μια μεγάλη έκπληξη!» Ο Alex Gao, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και ανώτερος συγγραφέας της μελέτης, είπε στην DW.Â

Η ομάδα του ερευνούσε πώς τα βακτήρια προστατεύονται από τους ιούς όταν εντόπισαν κάτι απροσδόκητο: μια πρωτεΐνη που ονομάζεται Drt3b που χτίζει το DNA χωρίς τίποτα να αντιγράψει. Χρησιμοποιεί το δικό του σχήμα ως καλούπι για να κουμπώσει τα σωστά δομικά στοιχεία στη θέση τους.Â

«Δεν το πιστέψαμε μέχρι που είδαμε τη δομή κρυο-ΕΜ […] Αυτή ήταν η στιγμή που μας έκανε πραγματικά κλικ», είπε – αναφερόμενος στην κρυοηλεκτρονική μικροσκοπία, μια τεχνική που απεικονίζει τα μόρια σε σχεδόν ατομική ανάλυση.

Τα ευρήματα δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Science τον Απρίλιο.

Λοιπόν, πώς λειτουργεί πραγματικά;Â

DRT3 – το πλήρες σύστημα που μελετήθηκε από την ομάδα του Gao – λειτουργεί σε δύο βήματα

Το DNA είναι δίκλωνο: σκεφτείτε το σαν φερμουάρ, με δύο πλευρές που ταιριάζουν μεταξύ τους.Â

Η μία πλευρά είναι χτισμένη με οικείο τρόπο, με μια πρωτεΐνη που ονομάζεται Drt3a που χρησιμοποιεί ένα μικρό κομμάτι γενετικού υλικού ως πρότυπο για την κατασκευή ενός σκέλους.Â

Η άλλη πλευρά είναι όπου τα πράγματα γίνονται περίεργα. Μια δεύτερη πρωτεΐνη, η Drt3b, χρειάζεται να δημιουργήσει την άλλη πλευρά αυτού του φερμουάρ – αλλά το κάνει χωρίς πρότυπο. Αντ ‘αυτού, συγκεκριμένα μέρη της ίδιας της πρωτεΐνης λειτουργούν ως οδηγός, κλειδώνοντας ένα προς ένα στα σωστά δομικά στοιχεία DNA ή “νουκλεοτίδια” μέχρι να ολοκληρωθεί ο κλώνος. Και αυτό είναι που δεν πιστεύαμε ότι ήταν δυνατό – τουλάχιστον όχι έτσι.

Άλλες πρωτεΐνες έχουν κάνει κάτι παρόμοιο στο παρελθόν – αλλά μόνο σε μικρά κομμάτια, όπως η σύνταξη μιας πρότασης. Το Drt3b γράφει μια ολόκληρη παράγραφο. Είναι η πρώτη γνωστή πρωτεΐνη που παράγει μια μακρά, ειδική για την αλληλουχία κλώνο DNA χρησιμοποιώντας τίποτα άλλο εκτός από τη δική της δομή ως οδηγό.

Γιατί έχει σημασία;

«Η έρευνα είναι πρωτοποριακή», λέει ο Philip Kranzusch, βιοχημικός στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ που δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Αυτό συμβαίνει επειδή οι επιστήμονες μελετούν το DNA από τη δεκαετία του 1950 και τα βακτήρια κάνουν αθόρυβα κάτι που ποτέ δεν φαντάζονταν ότι ήταν δυνατό. Πράγμα που εγείρει το ερώτημα: τι άλλο μας λείπει;Â

Υπάρχει επίσης μια πρακτική γωνία. Εάν οι επιστήμονες μπορούσαν να κατασκευάσουν το Drt3b για να παράγει άλλες αλληλουχίες DNA, θα μπορούσε μια μέρα να λειτουργήσει ως εργαλείο για την κατασκευή προσαρμοσμένων μορίων DNA – χωρίς να χρειάζεται ένα πρότυπο για αντιγραφή.

Αλλά δεν είμαστε ακόμα εκεί. «Δεν γνωρίζουμε ακόμη εάν μπορεί να επαναπρογραμματιστεί ή να κατασκευαστεί με χρήσιμο τρόπο», δήλωσε στη DW ο Ραφαέλ Πινίγια-Ρεντόντο, επίκουρος καθηγητής στο Τμήμα Μικροβιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης.

Άρα αυτό παραβιάζει τους κανόνες της βιολογίας;Â

Η ανακάλυψη πυροδότησε συζήτηση γύρω από αυτό που ονομάζεται «κεντρικό δόγμα της βιολογίας» – την ιδέα ότι η γενετική πληροφορία ρέει από DNA σε RNA σε πρωτεΐνη, αλλά ποτέ από πρωτεΐνη πίσω στο DNA. Εάν μια πρωτεΐνη μπορεί να γράψει μια αλληλουχία DNA, αυτό παραβιάζει τον κανόνα;

«Όχι, δεν θα έλεγα ότι το κεντρικό δόγμα έχει σπάσει», λέει ο Pinilla-Redondo. Αυτό που δείχνει η μελέτη είναι μια πρωτεΐνη που βοηθά στη δημιουργία μιας σύντομης, επαναλαμβανόμενης αλληλουχίας DNA σε ένα πολύ συγκεκριμένο πλαίσιο – όχι πρωτεΐνες που γενικά ξαναγράφουν γενετικό κώδικα. «Το συναρπαστικό μέρος δεν είναι ότι οι κανόνες της βιολογίας έχουν καταρρεύσει. Είναι ότι η εξέλιξη βρήκε έναν πολύ απροσδόκητο τρόπο για να χτίσει ένα μόριο DNA», είπε.

Αλλά τι κάνει στην πραγματικότητα το DNA;Â

Οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν ακόμη πλήρως.Â

Η κύρια υπόθεση είναι ότι το DNA λειτουργεί ως ένα είδος μοριακού σφουγγαριού – απορροφά βασικά συστατικά του ιού που επιτίθεται και τον εξουδετερώνει. Αλλά ο Γκάο είναι προσεκτικός σχετικά με το πόσο σταθερά υποστηρίζει αυτή την ιδέα. «Αυτή είναι η κύρια υπόθεση μας, αλλά σίγουρα είμαστε ανοιχτοί σε εναλλακτικά μοντέλα», είπε.

Ο Pinilla-Redondo συμφωνεί ότι ο μηχανισμός δεν είναι ακόμα κατανοητός. “Είναι το DNA ένα δόλωμα, ένα σήμα, ένα ικρίωμα ή ένα τοξικό μόριο; Αυτό είναι το βασικό μυστήριο”, είπε.

Είναι αυτό το επόμενο CRISPR;Â

Το CRISPR – το μοριακό ψαλίδι που επιτρέπει στους επιστήμονες να κόβουν και να επεξεργάζονται το DNA με πρωτοφανή ακρίβεια – ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά ως ένα ιδιόμορφο βακτηριακό αμυντικό σύστημα. Έκτοτε έχει μεταμορφώσει την ιατρική, συμπεριλαμβανομένης της πρώτης εγκεκριμένης γονιδιακής θεραπείαςγια τη δρεπανοκυτταρική αναιμία το 2023.Â

Ακούγεται οικείο, σωστά; Θα είναι όμως παρόμοια ιστορία με το DRT3;Â

Μάλλον όχι – τουλάχιστον όχι ακόμα. “Το CRISPR είναι μια σημαντική ανακάλυψη που έφερε επανάσταση στη βιοτεχνολογία”, λέει ο Gao. “Ενώ είναι νωρίς να προβλέψουμε τις εφαρμογές του DRT3, είμαστε πολύ ενθουσιασμένοι με το DRT3 για την επέκταση της κατανόησής μας για τους μηχανισμούς σύνθεσης DNA.”

Μια ματιά στη μικροβιακή σκοτεινή ύλη

«Το πεδίο της βακτηριακής ανοσίας εκρήγνυται», λέει ο Pinilla-Redondo. Η πειραματική έρευνα σε αυτά τα βακτηριακά αμυντικά συστήματα μόλις ξεκίνησε – και η ποικιλία των μηχανισμών που αποκαλύπτονται είναι εντυπωσιακή, με πολλές ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο να κάνουν ανεξάρτητα ευρήματα.

Για την ομάδα του Alex Gao, αυτή η ανακάλυψη είναι λιγότερο ένα τέλος παρά μια αρχή. Τα βακτήρια έχουν περάσει δισεκατομμύρια χρόνια καταπολεμώντας τους ιούς, εξελίσσοντας αθόρυβα μοριακά κόλπα που μόλις αρχίζουμε να ανακαλύπτουμε. Πόσα άλλα είναι εκεί έξω;Â

Ο Γκάο καταλήγει: «Υποδεικνύει μια τεράστια δεξαμενή αχαρακτήριστης βιολογίας μέσα στη μικροβιακή «σκοτεινή ύλη», όπου οι θεμελιώδεις μηχανισμοί πιθανότατα παραμένουν ανεξερεύνητοι».

Επιμέλεια: Frank Lee