10 juli 2020

Synthetisch ‘hachimoji’ DNA uit acht bouwstenen moet licht gaan werpen op ‘buitenaards’ DNA

DNA is een biologisch macromolecuul en voor al het aards leven de drager van het erfelijk materiaal. Om meer inzicht te krijgen in hoe een potentieel ‘alien’ DNA eruit zou kunnen zien elders in het universum heeft NASA enkele teams van synthetisch biologen aan het werk gezet om een nieuw genetisch systeem te bouwen dat door zou kunnen gaan voor ‘alternatief’ DNA. Het synthetisch DNA werd om het kort door de bocht te zeggen uit acht bouwstenen (nucleotiden n.1) samengesteld, ‘hachi’ en ‘moji’ staan voor resp. ‘acht’ en ‘letter’ in het Japans, waar het organisch DNA (n.2) er uit vier opgebouwd is. De sequentie (de volgorde van de nucleotiden in een streng) van deze resp. vier en twee basenparen vormen tezamen de genetische code van het erfelijk materiaal die voor ieder organisme uniek is. Teams van onderzoekers van de Universiteit van Texas, de Foundation for Applied Molecular Evolution en van de Indiana University School of Medicine als wel van het bedrijf DNA Software hebben flink gepuzzeld op dit kunstmatig gecreëerd lab DNA.

Illustratie van de nieuwe synthetische DNA structuur. De reguliere nucleotiden (groen, blauw, rood en geel). De nieuwe (turquoise, roze, paars en oranje). Credits; Indiana University School of Medicine / New Atlas

Van vier naar acht nucleotiden

Zodra astronomen de hemel af gaan zoeken naar tekenen van buitenaards leven is er de neiging om zich qua verschijningsvorm toch te focussen op planeten die enigszins lijken op de aarde. Dit is een prima uitvalsbasis om te starten met zoeken maar in totaal andere omstandigheden zou het leven op andere planeten elders in het universum  wel eens een heel andere weg kunnen zijn ingeslagen en een totaal andere vorm hebben aangenomen. Om ‘leven’ an sich te definiëren (n.3), iets waar altijd veel discussie over was en is, hebben biologen hun eigen voorwaarden gesteld waaraan ‘leven’ zou moeten voldoen.  Meer algemeen kan leven worden gedefinieerd als een zichzelf in stand houdend chemisch systeem dat in staat is tot Darwins evolutie. Op aarde gebruiken levende organismen DNA om te evolueren, waarbij informatie die is opgeslagen in de vier bouwstenen eerst wordt overgebracht naar RNA n.(4) en vervolgens naar eiwitten. DNA en RNA zijn “universeel” aanwezig bij alle bekende levensvormen op aarde.

Het nieuwe synthetisch gecreëerde hachimoji DNA heeft zeker veel weg van organisch DNA materiaal. Het synthetisch DNA is opgebouwd uit acht nucleotiden waarvan er vier hetzelfde zijn als uit het organisch DNA. De vier nucleotiden uit organisch DNA zijn adenine, thymine, cytosine en guanine (A,T C en G). En zoals hierboven al genoemd alle genetische informatie over een organisme, van een bacterie tot een walvis, is gecodeerd in sequenties van repeterende paren van deze vier basen. Het hachimoji DNA functioneert praktisch hetzelfde als organisch DNA en kan (bijna) alles om het leven te ondersteunen, van informatieopslag tot het maken van RNA, en is tevens stabiel genoeg om de informatie door te geven. Het synthetisch DNA bevat alleen vier extra nieuwe nucleotiden en kan zichzelf niet repliceren. Maar ook hiervoor geld dat alle genetische informatie gecodeerd is in sequenties van repeterende basenparen, alleen nu niet twee maar vier.

Het synthetisch DNA koppelt de nucleotiden op juiste wijze, en regels voorspellen de stabiliteit ervan. Hachimoji-DNA kan worden gekopieerd om hachimoji-RNA te maken dat in staat is om eiwitsynthese te sturen. Hachimoji RNA kan tevens een selecteerbaar fenotype (n.5) hebben. Informatieopslag, transmissie en selecteerbaar fenotype zijn drie evolutievereisten. Maar er is een vierde: structurele regelmaat. “In 1942 voorspelde Schrödinger dat het niet uitmaakt welk genetisch polymeer het leven gebruikt, zijn informatieve bouwstenen moeten allemaal dezelfde vorm en grootte hebben,” aldus onderzoeksleider Steven Benner. Hachimoji voldoet aan deze voorspelling. “Kristalstructuren van drie verschillende hachimoji DNA dubbele helices onthullen sequentie specifieke eigenschappen met behoud van de essentiële kenmerken van natuurlijk DNA,” zei Millie Georgiadis, van de Indiana Universiteit die de kristalstructuren van Hachimoji DNA verschafte. “Nauwkeurige analyse van de vorm, afmeting en structurele regelmatigheid in hachimoji DNA toont ons de belangrijke rol van waterstof binding in evolueerbare informatie moleculen.”  merkte John SantaLucia van DNA Software die de regels voor hachimoji stabiliteit berekende.

Ontstaan en toepassingen

Maar kon hachimoji-DNA op andere planeten zijn ontstaan? “We suggereren met dit onderzoek niet dat dit acht nucleotiden tellende DNA op voorhand is ontstaan, net zo goed als dat we niet denken dat DNA-RNA samen is ontstaan,” merkte Andrew Ellington op, die de enzymen leverde die hachimoji-RNA maken.” Men kan zich echter parallelle processen voorstellen. Op aarde worstelde het leven ook eerst om RNA te verbeteren en zijn bouwstenen te modificeren, sommige komen nog voor (virussen bestaan veelal uit RNA).  Het aards biologische proces  nam echter uiteindelijk een andere weg door eiwitten uit te vinden wat resulteerde in het meer stabiele DNA. Op een willekeurige exoplaneet kan het leven zijn RNA blijven verbeteren zonder eiwitten uit te vinden, misschien om uiteindelijk op dit type DNA van 8 nucleotiden uit te komen.  Vorig jaar vroeg Chris McKay van NASA Ames aan de Breakthrough Foundation (een internationale non-profit organisatie voor stimulering van baanbrekend wetenschappelijk werk) waar men naar verwachting voor het eerst buitenaards leven zou kunnen aantreffen. Terwijl Mars en de manen Europa, Titan en Enceladus allemaal werden besproken, stelde Steven Benner van het Hachimoji project voor dat het weleens eerst uit een laboratorium op aarde zou kunnen komen. “Men kan echter niet stellen dat hachimoji-DNA buitenaards leven is,” aldus Benner. “Daarvoor moet het systeem ook zichzelf kunnen onderhouden. “Hachimoji-DNA vereist een constante aanvoer van in het lab gemaakte bouwstenen en eiwitten.” Aangezien geen van deze buiten het lab beschikbaar zijn, kan hachimoji-DNA nergens heen buiten het lab.  “Hachimoji-DNA heeft ook veel toepassingen, waaronder verbeterde diagnosen, alternatieven voor silicium voor informatieopslag, eiwitten met extra aminozuren en nieuwe soorten medicijnen. Firebird Biomolecular Sciences, die het synthetische materiaal leverde, commercialiseerde het synthetisch DNA. “Delen van dit nieuwe DNA zitten al in producten om ziekten te diagnosticeren en het milieu te controleren op ziekteverwekkende virussen”, aldus Mark Poritz van Firebird.

Hoewel het vrij onwaarschijnlijk is dat buitenaardse wezens dit type DNA gebruiken, laat het onderzoek zien dat ons beproefde DNA niet de enige mogelijke structuur is voor het leven. In de praktijk betekent dit dat astronomen op zoek naar buitenaards leven bepaalde levensvormen over het hoofd kunnen zien door zich uitsluitend te concentreren op aardachtige werelden. “Door zorgvuldig de rollen van vorm, grootte en structuur in hachimoji-DNA te analyseren, breidt dit werk ons begrip van de soorten moleculen uit dat zou informatie in buitenaards leven kunnen opslaan op buitenaardse werelden, ” aldus Benner. Hachiimoji is niet de eerste keer dat wetenschappers met synthetisch DNA hebben geëxperimenteerd. In 2010 creëerde een team een synthetische bacteriecel die draaide op een door een computer ontworpen genoom en zichzelf kon repliceren. In 2017 voegden andere onderzoekers twee nieuwe basen toe aan het genoom van de E. coli bacterie om een semi-synthetisch organisme te maken. Verder zou dit hachimoji systeem ook kunnen dienen als een basis voor meer synthetische biologie experimenten. Bronnen; NASA / Universiteit van Florida / Universiteit van Indiana

Artikel van Hoshika, S, Leal NA, e.a.; ‘Hachimoji DNA and RNA: A genetic system with eight building blocks.’ Science, 22 februari 2019. Het werk werd gesteund door de Templeton World Charity Foundation, NASA, National Science Foundation en het Department of Energy.

n.1. Nucleotiden; bio-organische verbindingen die de bouwstenen voor zowel het DNA als het RNA vormen

n.2. Leven;  iets wordt als levend beschouwd als het alle of de meeste van de volgende functies heeft; homeostase, organisatie, metabolisme, groei, adaptie, prikkelbaarheid en voortplanting. bron; Wikipedia

n.3. DNA; Desocyribonucleinezuur, kortweg DNA, is een biochemisch macromolecuul dat fungeert als belangrijkste drager van erfelijke informatie in alle bekende organismen en in sommige virussen. Het behoort tot de nucleïnezuren. Een DNA molecuul bestaat uit twee strengen van nucleotiden die in de vorm van een dubbele helix met elkaar vervlochten zijn. De strengen zijn verbonden door waterstofbruggen, die steeds twee tegenover elkaar liggende nucleotiden verbinden. DNA bevat vier verschillende nucleotiden met de nucleobasen adenine, thymine, guanine en cytosine, afgekort A,T, G en C. De beide strengen zijn complementair doordat  de basen alleen als de basenparen AT en GC kunnen voorkomen.

n.4. RNA, Ribonucleïnezuur, een biologisch macromolecuul dat essentieel is voor de regeling van cellulaire processen in alle bekende levensvormen. RNA is net als DNA opgebouwd uit een lange keten van nucleotiden, en is een nucleïnezuur. RNA speelt een belangrijke rol in het coderen, overbrengen, reguleren, interpreteren en tot expressie brengen van genen. In het transcriptie en translatie proces is RNA van centraal belang. Een van RNA vormen, het messenger-RNA wordt in organismen geproduceerd tijdens de transcriptie: het proces waarbij DNA wordt overgeschreven naar een RNA-molecuul. De volgorde van de nucleotiden (met de vier stikstofbasen guanine, uracil, adenine en cytosine) bevat genetische informatie voor eitwitsynthese. De genetische informatie van veel virussen is opgeslagen in een RNA-genoom.

n.5. Fenotype; is  is het totaal van alle waarneembare eigenschappen van een organisme Het is het resultaat van de genetische aanleg (genotype) van een individu en de invloed daarop van zijn omgeving.

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.