Un paio di miliardi di anni fa, quattro molecole danzavano nell'elegante struttura a doppia elica del DNA, che fornisce i codici per la vita sul nostro pianeta. Ma questi quattro attori erano davvero fondamentali per l'apparenza della vita - o avrebbero potuto anche altri dare origine al nostro codice genetico?
Un nuovo studio, pubblicato oggi (20 febbraio) sulla rivista Science, supporta quest'ultima proposta: gli scienziati hanno recentemente modellato un nuovo tipo di DNA nella sua elegante struttura a doppia elica e hanno scoperto che aveva proprietà che potevano sostenere la vita.
Ma se il DNA naturale è un racconto, questo DNA sintetico è un romanzo di Tolstoy.
I ricercatori hanno creato il DNA sintetico usando quattro molecole aggiuntive, in modo che il prodotto risultante avesse un codice composto da otto lettere anziché quattro. Con l'aumento delle lettere, questo DNA aveva una capacità molto maggiore di immagazzinare informazioni. Gli scienziati hanno chiamato il nuovo DNA "hachimoji" - che significa "otto lettere" in giapponese - espandendo il lavoro precedente di diversi gruppi che avevano creato DNA simile usando sei lettere.
Scrivere il codice
Il DNA naturale è composto da quattro molecole, chiamate basi azotate, che si accoppiano per formare il codice per la vita sulla Terra: A si lega a T; G si lega a C. Il DNA di Hachimoji comprende queste quattro basi naturali, più altre quattro basi nucleotidiche sinteticamente prodotte: P, B, Z e S.
Il gruppo di ricerca, che comprendeva diversi team diversi negli Stati Uniti, ha creato centinaia di queste doppie eliche Hachimoji con diverse combinazioni delle coppie di basi nucleotidiche naturali e sintetiche. Quindi, hanno condotto una serie di esperimenti per vedere se le varie doppie eliche avevano proprietà necessarie per sostenere la vita.
Il DNA naturale ha una caratteristica distintiva che nessun'altra molecola genetica sembra avere: è stabile e prevedibile. Ciò significa che i ricercatori possono calcolare esattamente come si comporterà a determinate temperature e ambienti, anche quando si degraderà.
Ma si scopre che i ricercatori sono stati anche in grado di farlo con il DNA di Hachimoji: potrebbero escogitare una serie di regole in grado di prevedere la stabilità del DNA quando è esposto a temperature diverse.
Requisiti per la vita
La scoperta che è possibile aggiungere le quattro basi sintetiche e ottenere comunque un "codice prevedibile e programmabile ... che non ha precedenti", ha affermato Floyd Romesberg, professore di chimica alla Scripps Research in California, che non faceva parte dello studio ma che ricerche precedentemente pubblicate su un precedente codice di sei lettere. Questo "documento di riferimento" suggerisce infatti che G, C, A e T "non sono unici", ha detto Romesberg a Live Science.
Autore senior Steven Benner,concordò un illustre collega della Foundation for Applied Molecular Evolution in Florida. Se da qualche altra parte nell'universo, la vita è anche codificata nel DNA, non sarà "esattamente come quello che abbiamo qui sulla Terra", ha detto Benner a Live Science. "È molto utile avere questo tipo di esperimenti in laboratorio per capire quali strutture alternative."
Ma la creazione di DNA che immagazzina informazioni non è sufficiente, ha osservato Benner. Deve anche avere la capacità di trasferire tali informazioni all'RNA della molecola gemella, in modo che l'RNA possa quindi istruire le proteine a svolgere tutte le attività in un organismo.
Con questo in mente, i ricercatori hanno sviluppato enzimi sintetici - proteine che facilitano una reazione - che hanno copiato con successo il DNA di Hachimoji nell'RNA di Hachimoji. Inoltre, hanno scoperto che la molecola di RNA era in grado di piegarsi in una sorta di forma a L che sarebbe necessaria per trasferire ulteriormente le informazioni.
Inoltre, i filamenti di DNA devono essere in grado di attorcigliarsi nella stessa struttura tridimensionale: la famosa doppia elica.
Il team ha creato tre strutture cristalline del DNA di Hachimoji, ognuna con sequenze diverse delle otto coppie di basi, e ha scoperto che in effetti ciascuna formava la classica doppia elica.
Tuttavia, affinché il DNA di Hachimoji sostenga la vita, c'è un quinto requisito, ha affermato Benner. Cioè, deve essere autosufficiente o avere la capacità di sopravvivere da solo. Tuttavia, i ricercatori hanno smesso di indagare su questo passaggio, al fine di impedire alla molecola di diventare un rischio biologico che un giorno potrebbe farsi strada nei genomi degli organismi sulla Terra.
Un vocabolario in espansione
Oltre a intravedere alternative per la vita nel cosmo, questo filamento di DNA di otto lettere ha anche applicazioni qui sul nostro pianeta. Un alfabeto genetico di otto lettere memorizzerà più informazioni e si legherà a determinati obiettivi in modo più specifico, ha detto Benner. Ad esempio, il DNA di Hachimoji potrebbe essere usato per legarsi alle cellule tumorali del fegato o alle tossine dell'antrace o per accelerare le reazioni chimiche.
"Aumentando il numero di lettere da sei a otto, la diversità delle sequenze di DNA è notevolmente aumentata", Ichiro Hirao, biologo molecolare sintetico presso l'Institute of Bioengineering and Nanotechnology, A * STAR di Singapore, che non faceva parte dello studio , ha detto in una e-mail. (Il team di Hirao è stato anche coinvolto, tuttavia, in ricerche precedenti che hanno creato filamenti di DNA di sei lettere)
Naturalmente, "questa è solo una prima dimostrazione" di una doppia elica di DNA di otto lettere e, per uso pratico, dobbiamo migliorare l'accuratezza e l'efficienza della replica e della trascrizione in RNA, ha detto Hirao in una e-mail. Immagina che alla fine potrebbero essere in grado di accumulare ancora più lettere.
