Cercetătorii de la Universitatea din Bristol au descoperit că enzimele numite ADN polimeraze sunt capabile să scrie porțiuni lungi și structurate de material genetic nou, fără nici un șablon de copiere. Descoperirea reîncadează un comportament de mult cunoscut, dar trecut cu vederea, ca o modalitate potențială de a construi ADN-ul cu care chimia standard încă se luptă.
Ce arată analiza
Analizând miile de fire de ADN pe care enzimele le-au produs singure, cercetătorii au descoperit că secvențele nu mai păreau aleatorii și, în schimb, s-au format în structuri clare, care se repetă. Echipa de la Universitatea din Bristol a legat aceste structuri de enzime specifice și condiții de reacție, arătând că rezultatul a urmat reguli recunoscute. Aceste reguli dau naștere unor structuri care variază de la simple repetiții la secvențe mai complexe, demonstrând mult mai multă ordine decât se așteptau oamenii de știință de la proces.
Deoarece rezultatul direcțional poate fi controlat, ridică o întrebare mai profundă despre cum funcționează acest proces neobișnuit de înregistrare.
Ce este „desenul doodle”
De obicei, ADN polimeraza construiește ADN-ul prin copierea unui șablon existent. Oamenii de știință numesc această capacitate a ADN polimerazelor de a construi ADN fără șablon drept „mâzgălare”. Primele câteva legături ADN adăugate pot permite continuarea aceleiași repetări. Schimbările de temperatură și blocurile de construcție disponibile ale ADN-ului determină ce unități le adaugă enzima în continuare, producând diferite structuri care se repetă. Acest feedback explică de ce alimentele formează mai degrabă structuri decât fire complet aleatorii de material genetic.
De ce contează lungimea
Metodele moderne de construcție a ADN-ului funcționează cel mai bine pe piesele scurte, deoarece fiecare pas adăugat crește șansa de eroare. Chiar și progresele recente au permis extinderea acestor fragmente doar la câteva mii de legături ADN, ceea ce arată cât de dificilă rămâne construcția pe termen lung. În schimb, același proces fără șablon a produs lanțuri de ADN de zeci de mii de legături lungi într-un singur ciclu. Această diferență poate conta atunci când oamenii de știință au nevoie de porțiuni lungi de ADN pentru a construi gene sau pentru a controla comportamentul celulelor.
Cum au studiat cercetătorii rezultatul
Pentru a înțelege exact ce au produs aceste enzime, echipa a folosit o metodă care citește ADN-ul prin detectarea unor semnale electrice minuscule pe măsură ce fiecare legătură trece printr-un senzor. Această abordare le-a permis să urmărească fire întregi de ADN de la început până la sfârșit, mai degrabă decât să le descompună în bucăți mai mici. Împreună cu aceasta, au folosit un al doilea instrument pentru a mapa forma fizică a catenelor de ADN la o scară foarte mică. Combinația de secvență și formă a oferit o imagine mai clară a ceea ce au produs enzimele și a modului în care s-au format aceste fire lungi de ADN.
Controlul reacției
Odată ce structurile au devenit vizibile, cercetătorii au încercat să direcționeze reacția în loc să o observe doar. Schimbarea căldurii a schimbat rata la care au fost adăugate unitățile, ceea ce, la rândul său, a schimbat echilibrul blocurilor repetate din firele finite. Limitarea reacției la doar două dintre cele patru blocuri de construcție ale ADN-ului a forțat enzimele să producă întinderi repetate lungi și foarte regulate – unele de peste o mie de unități lungi. Acest răspuns previzibil la schimbări simple a făcut ca procesul să fie mai puțin aleatoriu și mai mult ca ceva ce oamenii de știință ar putea controla în mod conștient.
Regândirea unui fenomen cunoscut de mult timp
Oamenii de știință au observat pentru prima dată acest comportament cu zeci de ani în urmă, când experimentele timpurii au arătat că unele ADN polimeraze ar putea începe să construiască ADN nou chiar și fără un șablon de copiere. O lucrare din 1960 descria unul dintre acele produse neașteptate, legând efectul de doar două bucăți de ADN. Thomas Gorochowski de la Universitatea din Bristol observă că „crearea doodle-urilor” de către polimerazele ADN este cunoscută de zeci de ani, dar a fost în mare parte privită ca o curiozitate. Rezultatele Bristol au schimbat această formulare, arătând că cercetătorii pot mapa, compara și ghida un rezultat neobișnuit.
Calea către variația genetică
Dacă celulele pot crea uneori noi structuri ADN pe cont propriu, acest proces ar putea oferi o modalitate de a crea variații genetice. Repetările mici pot schimba modul în care se pliază ADN-ul sau modul în care genele sunt controlate, chiar și atunci când unitățile de bază par simple. Deoarece noua lucrare a legat condițiile de structuri specifice, a oferit cercetătorilor o modalitate mai bună de a determina când ar putea apărea astfel de secvențe. Această idee rămâne preliminară în celulele vii, dar studiul face întrebarea mult mai ușor de testat direct.
Implicații pentru biotehnologie
Un sistem controlat bazat pe enzime ar putea face mai ușoară și mai ieftină construirea unor porțiuni lungi de ADN care sunt în prezent dificil și lent de asamblat. În domeniul biologiei sintetice, secvențele lungi determină adesea ce experimente pot încerca oamenii de știință. „Munca noastră arată că acesta este un proces reglabil, cu implicații asupra modului în care este creat noul material genetic și cu potențial real pentru biotehnologie”, a spus Gorochowski.
Cu toate acestea, orice platformă practică va necesita un control robust asupra erorilor de secvență, distribuției lungimii și a produselor secundare nedorite.
Limitări și cercetări viitoare
Nu orice fir lung creat de „doodle” va fi util, deoarece repetiția poate domina și ordinea exactă este greu de controlat. Enzimele concepute pot îmbunătăți acest control, dar câmpul are nevoie de modalități mai curate de a porni, opri și testa fiecare produs. Preocupările privind siguranța intră, de asemenea, în joc, pe măsură ce oamenii de știință trec de la fire experimentale mixte la părți biologice proiectate pentru aplicații din lumea reală. Aceste limitări mențin munca în stadiul exploratoriu, chiar dacă rezultatul principal pare mai practic decât înainte.
Apare o imagine a ADN polimerazelor ca mai mult decât doar enzime de copiere, capabile să producă material lung și structurat. Lucrările viitoare vor necesita controale mai stricte și o verificare mai bună a erorilor, dar rezultatul extinde deja ceea ce oamenii de știință pot cere enzimelor să facă.
Cât de mult din acest proces „doodle” are loc în celulele vii și nu doar într-o eprubetă. Dacă celulele pot genera într-adevăr noi secvențe genetice fără un șablon, atunci evoluția poate avea la dispoziție un instrument pe care genetica tradițională nu l-a luat în considerare. Și dacă oamenii de știință învață să controleze acest proces suficient de precis pentru a produce lungi secțiuni de ADN la cerere, atunci linia dintre ceea ce este „scris” de natură și ceea ce este „desenat” de oameni s-ar putea dovedi a fi mai subțire decât se aștepta.
