Zvětšit obrázek

Báze a jejich vazby, jak je známe z přírody.

Japonec Masahiko Inouye se svými spolupracovníky z University of Toyama se již po několik let snaží vytvořit umělou DNA. Jak tvrdí, jeho pokusy byly motivovány snahou získat medium, které by bylo schopné uchovávat informace. Obdobně jako to umí DNA. Nyní se mu to podařilo.

Zvětšit obrázek

Schema postupu tvorby uměléDNA. (Kredit: Masahiko Inouye)

  
Všechny formy života, jež využívají DNA, pracují tak trochu „jako přes kopírák“. Spoléhají se na stejnou sadu základních písmen (chcete-li stavebních bloků), kterým říkáme báze. S pomocí těchto bází mají v řídících centrech svých buněk organismy zapsány informace k tvorbě široké palety proteinů... Jde o návod jak skládat buňky a řídit jejich činnost.
Do dnešní doby jsme byli v laboratoři schopni DNA zkopírovat, nebo na ní dělat malé nepřirozené úpravy. Než přikročíme k tomu, co se vlastně podařilo japoncům vytvořit nyní, osvěžme si nejdříve co to deoxyribonukleová kyselina (DNA) je. 

DNA (přirozená)
DNA je tvořena dvěma řetězci. V každém řetězci se střídá pětiuhlíkový cukr deoxyribóza se zbytkem kyseliny fosforečné (tzv. fosfátem). Na deoxyribózu je po straně připojena heterocyklická sloučenina, která se nazývá báze. V místech určených pro báze se mohou v DNA vyskytnout čtyři různé sloučeniny. Dvě z nich jsou odvozeny od struktury purinu: adenin (A) a guanin (G). A zbylé dvě od pyrimidinu:  thymin (T) a cytosin (C). Trojice deoxyribóza-zbytek kys. fosforečné-báze, tzv. nukleotid, tvoří základní jednotku (monomer) DNA. Protože na místě báze se mohou vyskytovat čtyři různé molekuly (A, T, G nebo C), existují i čtyři různé základní stavební jednotky (nukleotidy) - deoxyadenosinfosfát, deoxytymidinfosfát, deoxyguanosinfosfát a deoxycytidinfosfát.
Každé ze dvou vláken DNA je polymerem jednotlivých nukleotidů. Kostru vlákna (řetězce) tvoří střídající se deoxyribózy a fosfáty. Ke každému cukru je po straně připojena báze.  „Vyčuhující“ báze umožňují vytvářet vodíkové můstky. Můstek se vytváří mezi  vyčnívající bází na druhém řetězci DNA. Zbývá jen dodat, že když jedna báze vyčnívá více, musí protějšek vyčnívat méně, aby mezi nimi můstek mohl vzniknout. Proto se vždy spolu páruje jen adenin s thyminem (A-T) a guanin s cytosinem (G-C). Tak vzniká onen slavný propletenec - dvouřetězcová molekula zvaná dvoušroubovice DNA, který  uchovává genetické informace. Z pohledu stability a odolnosti před mechanickým poškozením, se jeví dvouřetězcová struktura DNA jako ideální.  Vlastní informace je v této struktuře zapsána pořadím jednotlivých bází. Báze slouží jako jakési písmena z nichž jsou sestaveny pokyny co se má tvořit, kde se to má tvořit a kdy.

Zvětšit obrázek

Schema umělé DNA. Modrou barvou jsou označeny v přírodě se nevyskytující, syntetické báze. Ty mezi spolu selektivně vytvářejí vodíkové můstky (podobně jako přirozené báze). Fialově je vyznačeno místo připojení nově vytvořených bází pomocí acetylenové vazby v beta-konfiguraci ke kostře DNA tvořené deoxyribózou a zbytkem kyseliny fosforečné. (Kredit: Masahiko Inouye)

Když to vše shrneme, můžeme naše povídání o DNA uzavřít konstatováním, že molekula DNA je zařízení, jež je velmi dobře uzpůsobeno pro uchovávání a kopírování informace. Dvojvlákno umožňuje informaci dobře chránit a při jeho dočasném rozpletení, které je nutné pro přečtení ukryté informace, je struktura vlákna uzpůsobena tak, že jednoznačně určuje, ze kterého místa vlákna a kterým směrem se má informace číst, respektive kopírovat do vlastní molekuly RNA, která vykonání pokynu zprostředkuje.

DNA umělá
Nyní vědci vytvořili zařízení, jež dokáže pospojovat dohromady nově vytvořené molekuly. Jde o chemickou laboratoř umožňující pospojovat zcela nepřirozené báze a umístit je do základní kostry tvořené molekulami cukru (deoxyribózou). 

Zvětšit obrázek

Trojšroubovice (DNA tvořená třemi vlákny)

Nově vytvořená struktura má tedy základní kostru z cukru a fosfátu. Kostra je tedy shodná s přirozenou formou DNA. To nové na této práci spočívá v bázích, které se těm přirozeným podobají jen v místech tvořících ony vodíkové můstky. Jinak jde o „syntetiku“ zcela odlišnou od té, která se vyskytuje v přírodě. Nejde zde tedy jen o jakési napodobování přírody, ale jde o vytvoření nového systému z nepřirozených „písmen“ (umělých bází) schopných se k sobě nezaměnitelně selektivně vázat - obdobně jako to dělají „pravé“ báze v přirozené DNA. Výsledkem japonského snažení je jakýsi informační systém využívající zcela nová písmena jaká příroda nezná.

Podobně jako přirozená DNA je i tato výsledná umělá struktura DNA pravotočivá. Na rozdíl od té normální DNA ale snadno vytváří struktury vyššího řádu, tedy propletenec ze dvou i tří vláken - trojvláknovou šroubovici.
Vědci tvrdí, že jedinečnost těchto struktur a jejich vysoká stabilita, poskytují bezprecedentní možnosti k výrobě nových biotechnologických materiálů a k jejich netradičním aplikacím.
U nového objevu jde sice o nový způsob zapisování informace, ale o stvoření základů života založeném na jiné formě přenosu informace, nemůže být řeč. Chybí například zařízení, které by takto jinak zapsanou informaci v buňce bylo schopno číst, chybí opravný mechanismus, který by uměl takovou strukturu opravovat,..
Také se ale jedná o stabilnější strukturu, než jakou je ta naše DNA a tak jednou, možná, kdo ví?     

Pramen: Doi et al. Artificial DNA Made Exclusively of Nonnatural C-Nucleosides with Four Types of Nonnatural Bases. Journal of the American Chemical Society, 2008; 130 (27): 8762 DOI: 10.1021/ja801058h