Μέχρι σήμερα, η κατασκευή DNA (δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ) απαιτούσε ένα «πρότυπο», πάνω στο οποίο δρουν ειδικές πρωτεΐνες που ονομάζονται ένζυμα.
Ωστόσο, ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο Στάνφορντ διαπίστωσε ότι ένας τύπος ενζύμου, γνωστός ως πολυμεράση, μπορεί να λειτουργήσει χωρίς αυτό το «σχέδιο». Το ίδιο το σχήμα του λειτουργεί ως καλούπι, επιτρέποντας τη σύνθεση νέου DNA χωρίς την ανάγκη εξωτερικού προτύπου.
Πρόκειται για κάτι που παρατηρήθηκε για πρώτη φορά.
Η σχετική μελέτη δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Science.
Τι σημαίνουν τα ευρήματα
Αν και η ανακάλυψη δεν ανατρέπει όσα γνωρίζουμε μέχρι τώρα, προσθέτει ένα ιδιαίτερα ενδιαφέρον νέο κεφάλαιο στη βιολογία. Οι επιπτώσεις της αφορούν τη συμπεριφορά των βακτηρίων, τη βιολογική εξέλιξη, αλλά και τα ίδια τα θεμέλια της ζωής.
«Η ενζυμική σύνθεση των νουκλεϊκών οξέων αποτελεί μια θεμελιώδη διαδικασία, που βρίσκεται στη βάση της αντιγραφής του γονιδιώματος, της επιδιόρθωσης και πολλών μορφών επεξεργασίας πληροφοριών σε όλους τους οργανισμούς», έγραψαν οι ερευνητές στη μελέτη τους.
«Τα ευρήματα αυτά διευρύνουν το λειτουργικό εύρος των πολυμερασών νουκλεϊκών οξέων, αποκαλύπτοντας έναν μηχανισμό σύνθεσης DNA που βασίζεται σε πρωτεΐνη-πρότυπο και είναι ειδικός ως προς την αλληλουχία», συμπλήρωσαν.
Τι ερεύνησαν οι επιστήμονες
Αφορμή για τη μελέτη αποτέλεσε η διερεύνηση των reverse transcriptases που σχετίζονται με την άμυνα (DRTs), τις οποίες χρησιμοποιούν τα βακτήρια για να προστατεύονται από ιούς. Οι επιστήμονες είχαν ήδη παρατηρήσει ότι αυτές οι πολυμεράσες εμφανίζουν ασυνήθιστη συμπεριφορά κατά τη σύνθεση DNA.
Συγκεκριμένα, η ερευνητική ομάδα απομόνωσε ένα σύστημα DRT3 από το βακτήριο Escherichia coli και μελέτησε τη λειτουργία του τόσο σε δοκιμαστικούς σωλήνες όσο και σε ζωντανά κύτταρα. Έτσι, εντόπισαν τρία βασικά μέρη μιας «μηχανής» παραγωγής DNA: δύο ένζυμα, τα Drt3a και Drt3b, καθώς και ένα μόριο μη κωδικοποιητικού RNA.
Το Drt3b ήταν εκείνο που προκάλεσε τη μεγαλύτερη έκπληξη, καθώς μπορεί να συνθέτει DNA χωρίς να βασίζεται σε κάποιο εξωτερικό πρότυπο. Πρόκειται για έναν «όλα σε ένα» μηχανισμό που δεν έχει παρατηρηθεί ξανά.
Μέχρι σήμερα, η βιολογία θεωρεί ότι η γενετική πληροφορία μεταφέρεται από το DNA προς τις πρωτεΐνες που το «εκτελούν». Στην περίπτωση του Drt3b, όμως, η διαδικασία φαίνεται να είναι αυτάρκης: η ίδια η δομή του μηχανισμού λειτουργεί ως πρότυπο, καθορίζοντας πώς θα δημιουργηθεί η αλληλουχία του DNA.
«Η ίδια η πρωτεΐνη λειτουργεί ως πρότυπο για την αλληλουχία του DNA», εξήγησε ο βιοχημικός Alex Gao από το Στάνφορντ στον Richard Stone από το Science. «Αυτό αποτέλεσε μεγάλη έκπληξη. Πρόκειται για έναν θεμελιωδώς νέο τρόπο με τον οποίο η ζωή παράγει DNA».
Πώς θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν οι νέες ανακαλύψεις στο μέλλον
Προς το παρόν, οι ερευνητές δεν έχουν κατανοήσει πλήρως πώς τα βακτήρια χρησιμοποιούν το DRT3 για να προστατεύονται από ιούς. Ωστόσο, το γεγονός ότι πρόκειται για έναν πολύ συγκεκριμένο μηχανισμό δεν σημαίνει ότι δεν θα μπορούσε να αξιοποιηθεί και σε άλλες εφαρμογές.
Ενδεικτικό παράδειγμα αποτελεί το CRISPR, που ξεκίνησε ως φυσικό σύστημα άμυνας των βακτηρίων, πριν αξιοποιηθεί από τους επιστήμονες για την ανάπτυξη της επαναστατικής τεχνικής επεξεργασίας γονιδίων.
Σε βάθος χρόνου, δεν αποκλείεται ο μηχανισμός του Drt3b να μπορεί να αξιοποιηθεί και να τροποποιηθεί εργαστηριακά, αν και αυτό παραμένει προς το παρόν μακρινό ενδεχόμενο.
Παρότι οι επιστήμονες ήδη αναπτύσσουν τρόπους για τη δημιουργία συνθετικού DNA, η συγκεκριμένη πολυμεράση Drt3b λειτουργεί ως ένα πολύ συγκεκριμένο και «σταθερό» καλούπι. Αυτό σημαίνει ότι η προσαρμογή της για άλλες χρήσεις θα είναι δύσκολη, χωρίς όμως να αποκλείεται.
Απαιτούνται επιπλέον μελέτες για να γίνει σαφές πώς ακριβώς το DRT3 προστατεύει τα βακτήρια από ιούς και πώς αξιοποιείται από αυτά. Η κατανόηση αυτών των μηχανισμών θα δώσει περισσότερες πληροφορίες τόσο για τον τρόπο δημιουργίας αυτού του τύπου DNA όσο και για τις πιθανές εφαρμογές του.
Παραμένει επίσης ανοιχτό το ερώτημα πώς εξελίχθηκε αυτή η αποδοτική «συντόμευση». Οι ερευνητές εκτιμούν ότι το DRT3 υπάρχει σε πολλά βακτηριακά στελέχη και διαθέτει μακρά εξελικτική ιστορία, λειτουργώντας ως ένας ενεργειακά αποδοτικός μηχανισμός άμυνας απέναντι σε ιούς.
«Συνολικά, το σύστημα DRT3 χρησιμοποιεί έναν απρόσμενο μηχανισμό μεταφοράς βιολογικής πληροφορίας, διευρύνοντας το εντυπωσιακό φάσμα στρατηγικών που βασίζονται στα νουκλεϊκά οξέα για την άμυνα έναντι των βακτηριοφάγων», κατέληξαν οι ερευνητές.
