پروتئین‌های جدید با استفاده از DNA مصنوعی ساخته شد

پژوهشگران از یک سیستم دی‌ان‌ای مصنوعی به نام AEGIS برای طراحی دو نوکلئوتید مصنوعی استفاده کردند که از هندسه نوکلئوتیدهای طبیعی به شکلی بی‌نقص تقلید می‌کنند.

به گزارش ایسنا به نقل از آی ای، دی ان ای ، مولکولی که اطلاعات ژنتیکی همه موجودات زنده را ذخیره می کند، تنها از چهار حرف شیمیایی یا نوکلئوتید تشکیل شده است. اما اگر بتوانیم حروف بیشتری به این الفبا اضافه کنیم و انواع جدیدی از دی ان ای ایجاد کنیم، چه؟

این کاری است که تیمی از محققان دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو، بنیاد تکامل مولکولی کاربردی و موسسه مطالعات بیولوژیکی سالک (Salk) انجام داده اند. آن ها نسخه جدیدی از دی ان ای را با شش حرف به جای چهار حرف ابداع کرده اند که نشان می دهد می توان از آن برای ساخت پروتئین ها که بلوک های سازنده حیات هستند، استفاده کرد.

این شاهکار که در مجله Nature Communications منتشر شده است، درهایی را به روی آینده ای باز می کند که در آن پروتئین های طراحی شده سفارشی و کاربردهای بیولوژیکی جدید میتوانند به واقعیت تبدیل شوند.

چهار نوکلئوتید

دی ان ای که سنگ بنای اولیه حیات است، دستورالعمل های خود را تنها با استفاده از چهار نوکلئوتید موسوم به آدنین (A)، تیمین (T)، گوانین (G) و سیتوزین (C) رمزگذاری می کند. این نوکلئوتیدها در پیکربندی های خاص جفت می شوند و مارپیچ دوگانه نمادین دی ان ای را تشکیل می دهند. اما اگر بتوان این الفبا را گسترش داد چه می شود؟ پیامدها و کاربردهای آن از پزشکی شخصی گرفته تا مواد انقلابی، چشمگیر خواهد بود.

دکتر دونگ وانگ، استاد دانشکده داروسازی و علوم دارویی اسکاگز در دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو و نویسنده ارشد این مقاله می گوید:زندگی روی زمین به طرز شگفت انگیزی با تنها چهار نوکلئوتید متنوع است، بنابراین تصور کنید که ما با نوکلئوتیدهای بیشتر چه کارهایی می توانیم انجام دهیم.

او ادامه داد: ما با گسترش کد ژنتیکی می توانیم مولکول های جدیدی بسازیم که قبلاً دیده نشده اند و راه های جدیدی برای ساخت پروتئین ها به عنوان روش های درمانی کشف کنیم.

وانگ و همکارانش از یک سیستم دی ان ای مصنوعی به نام AEGIS استفاده کردند که مخفف عبارت Artificially Expanded Genetic Information System به معنای سیستم اطلاعات ژنتیکی گسترش یافته مصنوعی است.

دکتر دونگ وانگ توضیح می دهد که افزودن «حروف» جدید به کد ژنتیکی، دایره واژگان زندگی را گسترش می دهد و به ما امکان می دهد روایت های پیچیده تری بنویسیم. پیشرفت تیم او نشان می دهد که سلول ها می توانند به آسانی نوکلئوتیدهای مصنوعی را در دستور دی ان ای بگنجانند.

استفاده از AEGIS

سیستم AEGIS دو حرف جدید به الفبای استاندارد دی ان ای اضافه می کند که از آدنین (A)، تیمین (T)، گوانین (G) و سیتوزین (C) تشکیل شده است. این حروف به روش خاصی جفت میشوند تا ساختار دو مارپیچ دی ان ای را که توسط جیمز واتسون و فرانسیس کریک در سال ۱۹۵۳ کشف شد، تشکیل دهند.

حروف جدید Z و P دارای شکل و اندازه ای مشابه با حروف طبیعی هستند، بنابراین می توانند بدون ایجاد اختلال در هندسه دی ان ای ، در مارپیچ آن قرار گیرند. این بدان معنی است که آنزیم هایی که دی ان ای را می خوانند و کپی می کنند، مانند RNA پلیمراز میتوانند دی ان ای AEGIS را درست مانند دی ان ای (DNA) طبیعی شناسایی و پردازش کنند.

RNA پلیمراز

کلید این کار در تقلید از روش طبیعت است. پژوهشگران RNA پلیمراز را شناسایی کردند که آنزیمی کلیدی است که دی ان ای را به RNA تبدیل می کند و سپس برای ساخت پروتئین (Protein) استفاده می شود.

پژوهشگران دو نوکلئوتید مصنوعی طراحی کردند که به طور بی عیب و نقصی از هندسه نوکلئوتیدهای طبیعی تقلید می کنند. RNA پلیمراز به آسانی این اضافات جدید را هنگام آزمایش پذیرفت و به طور یکپارچه آن ها را در رونویسی ادغام کرد.

پژوهشگران آزمایش کردند که آیا RNA پلیمراز باکتری می تواند دی ان ای AEGIS را به RNA رونویسی کند یا خیر و دریافتند که می تواند این کار را با دقت و کارایی بالا انجام دهد.

وانگ می گوید: این نشان می دهد که ماشین های بیولوژیکی چقدر قوی و سازگار هستند. حروف مصنوعی ما با تقلید از شکل طبیعی دی ان ای می توانند مخفیانه وارد شوند و برای ساخت پروتئین های جدید مورد استفاده قرار گیرند.

این پیشرفت، راه را برای احتمالات هیجان انگیز هموار می کند. تصور کنید پروتئین هایی با ویژگی های سفارشی طراحی شده است که قادر به هدف قرار دادن دقیق تومورها برای درمان سرطان (cancer) یا مهندسی باکتری ها برای سنتز سوخت های زیستی سازگار با محیط زیست هستند.

افق های وسیع این پروژه فراتر از کاربردهای پزشکی و محیطی به علم مواد و حتی زیست شناسی مصنوعی می رسد. البته چالش ها همچنان باقی هستند. بهینه سازی ترکیب نوکلئوتیدهای جدید، اطمینان از ثبات آنها در ژنوم و رمزگشایی پتانسیل کامل این کد توسعه یافته، زمینه هایی برای اکتشاف بیشتر است. با این حال، پایه و اساس بازنویسی واژگان ژنتیکی بنا نهاده شده است.

این کشف نشان دهنده یک جهش مهم در درک ما از نقشه زندگی و نوید آغاز عصر جدیدی از طراحی بیولوژیکی است.

وانگ می گوید: این پروتئین های جدید می توانند در پزشکی، بیوتکنولوژی و مهندسی زیستی کاربرد داشته باشند.