Brytyjscy naukowcy stworzyli syntetyczne DNA pałeczki okrężnicy. Komputerowo zaprojektowany organizm działa i ma się dobrze

Po co to zrobili? Jak to naukowcy - żeby coś sprawdzić. W tym konkretnym przypadku chodziło przeprogramowanie DNA bakterii Escherichia coli w taki sposób, żeby zredukować liczbę wykorzystywanych przez nią kodonów. Udało się. A teraz porozmawiajmy o tym, co to znaczy i co właściwie się stało.

Cały eksperyment zaczął się od zaprojektowania nowego kodu DNA bakterii. Zespół prof. Jasona China wykorzystał w tym celu model komputerowy, dzięki któremu naukowcy mogli ułożyć całkowicie nową konfigurację czterech nukleotydów: adeniny (A), tyminy (T), guaniny (G) i cytozyny (C), które są podstawą kodu DNA wszystkich organizmów na naszej planecie. Różnice między tymi organizmami biorą się z różnej kolejności ułożenia i długości nici DNA tworzonych z tych czterech literek.

O samym DNA najlepiej myśleć jak o kodzie źródłowym albo jak o sekwencji poleceń. Zapisana kolejność nukleotydów decyduje o budowie białek tworzonych w komórkach, co oznacza, że decyduje o budowie… no właściwie wszystkiego, co żyje. Kolor waszych włosów, czy oczu zapisany jest gdzieś w całej tej plątaninie nukleotydów. Transportem tych informacji z DNA do komórkowych rybosomów (tam powstają białka) zajmuje się mRNA (messenger-RNA), czyli kwas rybonukleinowy pracujący w charakterze roznosiciela kodu źródłowego do komórek.

Ok, wróćmy teraz do samego kodu źródłowego. Pojedyncza instrukcja w DNA nazywana jest kodonem. Kodon to nic innego, niż trzy kolejne nukleotydy: AAT, GTA, CCG itd. Każda kombinacja (łącznie jest ich 64) odpowiada za produkcję jednego z 20 aminokwasów, z których budowane są ziemskie białka. Tutaj pojawia się też problem, którym postanowili zająć się naukowcy z Uniwersytetu Cambridge.

Widzicie, o ile całokształt procesu ewolucji uznawany jest za istny majstersztyk, to zagłębiając się w jego szczegóły bardzo szybko można doszukać się dość kontrowersyjnych patentów. Weźmy na przykład taką bakterię Escherichia coli. W jej kodzie DNA znajduje się aż sześć instrukcji (czyli kodonów) odpowiedzialnych za produkcję seryny (to takie białko) i trzy instrukcje z poleceniem STOP, które dołączane są na końcu kodu produkcyjnego dla poszczególnych aminokwasów.

Skąd wzięło się tyle instrukcji odpowiedzialnych za te same czynności? Nie wiadomo. Ewolucja chadza pokrętnymi ścieżkami. Zresztą stopień skomplikowania kodu DNA, nawet w najprostszych organizmach dość skutecznie utrudnia nam poznanie tego mechanizmu na wylot. Przykładowo: badana przez zespół China bakteria ma w swoim DNA 18214 kodonów. Bez komputera, prześledzenie tak długiej sekwencji zajęłoby prawdopodobnie kilka lat. A przypominam, że mówimy tu o stosunkowo mało skomplikowanej bakterii. U człowieka liczba ta będzie o wiele wyższa.

Wracając jednak do Escherichia coli - Brytyjczykom udało się całkowicie przeprojektować jej DNA w taki sposób, aby pozbyć się nadprogramowych, zdublowanych instrukcji dotyczących produkcji seryny. W praktyce oznaczało to odszukanie 18 tys. miejsc w DNA bakterii i podmiana kodonu TCG na AGC, który robi to samo. Przy okazji udało się wywalić jeszcze trzecią instrukcję STOP, pozostawiając tylko dwie. Dzięki tym zabiegom, nowa bakteria, wyposażona w zmodyfikowane DNA została zbudowana przy użyciu zaledwie 61 kodonów, zamiast 64.

No… na razie wiemy, że tak zmodyfikowany organizm działa. Co prawda bakteria z przeprogramowanym DNA jest trochę dłuższa i rośnie nieco wolniej, ale oprócz tego, naukowcy nie zauważyli jak na razie żadnych zmian w jej funkcjonowaniu. Zmienione tempo wzrostu i długość pozostają jednak jak na razie zagadką - zapewne w kodzie oryginału znajduje się jakaś nieodkryta zależność, o której nie mamy jeszcze pojęcia.

I to właściwie było celem całego eksperymentu. Sprawdzić, czy organizm z nieco skróconym (mówimy o liczbie kodonów) kodem DNA jest w stanie działać, tak samo jak oryginał. Naukowcy są też przekonani, że dzięki takim eksperymentom uda im się poznać wszystkie niuanse i zależności istniejące DNA. A jak już im się to uda, będą mogli zająć się ulepszaniem i czyszczeniem samego kodu. Jedna z hipotez, powtarzanych w środowisku inżynierów genetycznych mówi na przykład o tym, że dzięki przeprogramowaniu DNA będziemy w stanie tworzyć białka niespotykane jak dotąd w naturze. Jak na razie nie wiemy jednak, czy takie działanie będzie miało sens.

Wybór bakterii Escherichia coli nie jest zresztą przypadkowy. Już teraz, jej zmodyfikowane wersje wykorzystuje się w przemyśle farmaceutycznym do produkcji insuliny. I już teraz ta metoda staje się powoli niewystarczająca. Z badań wynika, że w 2030 r., czyli za (niecałe) 11 lat zapotrzebowanie na insulinę znacznie przewyższy możliwości jej produkcji. Naukowcy ostrzegają, że spośród ok. 79 mln chorych na cukrzycę typu 2, dostęp do niej będzie miało zaledwie 38 mln.

Być może więc eksperyment Brytyjczyków zaowocuje opracowaniem bardziej wydajniejszego gatunku bakterii. Zresztą zespół prof. China nie jest jedyną grupą, która aktualnie próbuje grzebać w kodzie DNA. Naukowcy z Harvardu pracują nad stworzeniem bakterii z jeszcze większą liczbą zmian w kodzie. Nie sposób nie wspomnieć też o niechlubnym chińskim eksperymencie, w ramach którego jeden z tamtejszych lekarzy dopuścił się modyfikacji (chociaż o wiele mniejszej) kodu DNA w komórkach macierzystych ludzkiego zarodka, chcąc tym samym uodpornić je na wirusa HIV.

Poznanie wszystkich sekretów naszego kodu DNA pozwoli nam na ulepszenie tego, co trochę na ślepo i przez przypadek udało się do tej pory stworzyć ewolucji. Niestety, żeby zrobić to dobrze, czeka nas jeszcze wiele lat badań, prób i wpisanych w koszty błędów.