Všechny formy života využívající DNA, pracují jakoby „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 a nejen jich. Jde vlastně o návod jak skládat buňky a řídit jejich činnost. Strukturu DNA známe díky Jamesu Watsonovi a Francisu Crickovi, kteří roku 1953 učinili zásadní objev - zjistili, jak se čtyři písmena chemické genetické abecedy DNA (A,T,C,G) v DNA párují.
DNA (opakování, možno přeskočit)
Stavebními jednotkami deoxyribonukleové kyseliny jsou tzv. nukleotidy. Nukleotidy se skládají z pětiuhlíkatého cukru (pentóza), zbytku kys. fosforečné a dusíkatých bází. Na cukr se váže zbytek kyseliny fosforečné (esterová vazba). Propojením cukrů vzniká polynukleotidové vlákno. Báze se dělí na purinové (adenin, guanin) a báze pyrimidinové (cytosin, uracil, thymin).
Vytvářejí doplňkové dvojice. Podle zákonu komplementarity, jak se toto spojování také označuje, se vzájemně spojují vždy jen 1 purinová a 1 pyrimidinová báze. K sobě se propojují vodíkovými vazbami. Guanin se váže s cytosinem a adenin s thyminem. Dvě DNA vlákna (primární struktura DNA) většinou vytváří sekundární strukturu - pravotočivou šroubovici.
Kyseliny druhé generace
Týmu chemiků pod vedením Steva Bennera se tento výše popsaný klasický „návod“ na stavbu našich DNA daří bořit. Počátky věhlasu jeho laboratoře spadají do období roku 1984, kdy se mu podařilo poprvé syntetizovat gen pro enzym. Tehdejší postupy jsou dodnes využívány v proteinovém inženýrství. Několik let po syntéze zmíněného enzymu přišel jeho výzkumný tým se syntézou umělého genetického kódu - systémem AEGIS. Dostal jméno podle začátečních písmen anglického Artificially Expanded Genetic Information System. Dal vznik celému novému odvětví molekulární biologie. Jde o alternativu pozemského genetického systému a o ukázku toho, jak se život také mohl (a možná i může) ubírat. Tento nepřirozený systém toho dokáže hodně, dovoluje i takové věci, jako například kódovat a syntetizovat bílkoviny o více než dvaceti různých aminokyselinách. Principem systému AEGIS jsou umělé báze a z nich vytvořená umělá DNA. Místo známých v přírodě se vyskytujících bází adeninu guaninu cytosinu a tyminu (A,G, C, T), se umělá DNA tvoří z bází, které v přírodě nenajdeme. Zatímco příroda si vystačí se čtyřmi bázemi, Bennerův tým jich vytvořil hnedcelou řadu. Nazvali je: Z, P, V, J, Iso-C, Iso-G, X a K. Osm těchto bází je zcela funkčních a váží se selektivně mezi sebou pomocí vodíkových vazeb podobně, jako klasické přirozené báze. Mohou také, jako klasické báze, tvořit vlákno DNA i jeho sekundární šroubovicovou strukturu. Takto vytvořené umělé vlákno nepřirozené DNA je možno replikovat podobně, jako se tomu děje v buňce za přirozených podmínek.
Pro Bennerovy výtvory, které z těchto nepřirozených bází vznikají, se začíná vžívat termín „nukleové kyseliny druhé generace“. Odborníkům pokusy s umělými bázemi odhalují, jakou úlohu v našem genetickém kódu hrají cukry a fosfáty a jak kyselina DNA funguje jako celek. Pro laiky je spíše zajímavé to, že jsme s tímto umělým systémem dostali do ruky nástroj, který může pomáhat odhalovat život ve vesmíru. Zřejmě i ten, který by byl založen na jiném principu, než je ten náš pozemský. Umělá DNA má ještě daleko k umělému životu. Syntetické báze se samy zatím nereplikují, musí k tomu mít laboratorní podmínky. Podle vědců to ale neznamená, že by na tomto umělém systému život nemohl existovat. Jak daleko vědci v tomto počínání jsou si uvědomíme, když vezmeme v úvahu, že Lidský genom (DNA buněčného jádra, tedy chromozomy) představují tři miliardy párů bází. Nejdelší z molekul sestavených v Bennerově laboratoři mají teprve 81 párů umělých bází. Tak krátký „genom“ na umělý život nestačí. Benner se ale nechává slyšet, že časem jeho systém se bude schopen replikovat bez nutnosti přístrojů a metody zvané PCR (polymerázová řetězové reakce). Pak tu budeme mít skutečný život. Navíc založený na nepřirozených chemických sloučeninách.
Sestavování molekul DNA z nepřirozených nukleotidů je nyní v „kurzu“. Kromě Američanů na něm pracují i Japonci. Masahiko Inouye se svými spolupracovníky z University of Toyama nedávno také sestavil umělou DNA. Japonská umělá DNA sestává ale jen ze čtyř nepřirozených bází.
Praxe
Hraní si s umělým nepřirozeným genetickým kódem ale není jen hledáním mimozemšťanů. Jde o směr, jehož poznatky se již začínají prosazovat do běžného života. Americká instituce dohlížející v USA na povolování léčiv a zdravotních postupů (FDA) již dva z produktů, které Bennerův umělý genetický systém používají, schválila. Jde o využití umělé DNA v testech využívaných v humánní medicíně. Zdravotnickou hantýrkou jde o mnohočetnou detekci genetických markerů a o odhalování jednonukleotidového polymorfismu. Genetičtí mágové hovoří ještě o paralelní amplifikaci DNA. Přeloženo do lidštiny to znamená, že umělý genetický systém lze využívat jak při určování infekčních nákaz, tak pro stanovení diagnóz neinfekčních nemocí. Příkladem toho, kde umělý genetický systém již lidstvu slouží, je pomoc při zvládání patálií s nízkou účinností léčby virových infekcí. I když máme na virózu účinné antivirotikum, nemusíme mít vyhráno a to dokonce ani tehdy ne, když nám „jedový koktejl“ sníží množství virů v krvi na nulu. Je to proto, že viry často zmutují a původně účinným lékům tak uniknou a zase začnou mít nad námi „navrch“. Takový opakovaný útok se zvláštními symptomy, které by nás mohly varovat, neprojevuje a tak jej zjistíme až když už bývá pozdě. Právě pro tyto situace vyvinul Benner detektor virových nákaz. Využívá v něm výhod uměle vytvořeného písmenkového DNA kódu, který je ke značkování specifických sekvencí ve virovém genomu ideální.
U starších vyšetřovacích metod, ve kterých se v testech používá úseků přirozené DNA, dochází často k chybám. Kousky DNA jsou totiž „lepivé“ a tak se stává, že se naváží i tam, kam nemají. Výsledkem jsou falešné pozitivní i negativní výsledky a chudák lékař pak neví čemu má věřit a na jakou infekci léčit.
Zmíněným detektorem na bázi nepřirozené DNA takové falešné reakce odpadnou. Případný nástup zmutovaných virů lze určit bezpečně a včas, kdy je ještě čas namíchat koktejl podávaných antivirotik jinak. Jde o přístup reflektující takzvaný individuální přístup k pacientovi. Zatím taková léčba není samozřejmostí, ale v představách vědců by již brzo mělo jít o běžnou věc. Pacienti s vážnějším virovým onemocněním, by měli chodit na „svůj virový detektor“ jednou měsíčně. Taková frekvence vyšetření by měla být dostačující k včasnému upozornění na případnou nutnost změnit léčbu.
Paleogenetika
Kromě průkopníka v oblasti individuální antivirové léčby lze Bennera považovat také za tvůrce experimentální paleogenetiky. Jde o obor, který „křísí“ geny a proteiny pradávných organismů. I to se nyní děje pomocí technik využívajících rekombinantní DNA. Většinou jde o laboratorní testy, kterými se ověřují hypotézy o tom, jak probíhala evoluce biologických funkcí. O jak široké spektrum využití jde svědčí například použití k pátrání po vývojových cestách, kterým postupovaly biochemické procesy trávení u přežvýkavců a nebo bádání v evoluci termofilních bakterií, či objasňování interakce mezi rostlinami a houbami v době velkého vymírání v Křídě.
Na právě skončeném 237. setkání členů Americké chemické společnosti (ACS) byl nepřirozený genetický systém presentován jako cesta, která by mohla vnést trochu světla do vzniku života na Zemi a do procesů evoluce, které probíhaly v době před čtyřmi miliardami let.
Bennerovým cílem je syntetizovat v laboratoři jakési životní formy. Jeho dvanácti písmenkový systém je schopen téměř všech činností, jež charakterizují živou hmotu – reprodukci, růst a reakci na vnější podmínky. To vše bez přispění genů. Tento systém má ale zatím jednu dost podstatnou vadu - není schopen sám sebe udržet při životě. Potřebuje být krmen. Neumí pátrat po zdrojích potravy. Něco takového, co by se samo dralo o potravu se zatím nikomu nepodařilo. Pravděpodobnost vzniku molekuly, která by to uměla, je odhadována na jedna ku 10 .000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000. Bennerův tým po chemické molekule, která by byla schopna podobného evolučního vývoje, pátrá. Jeho arteficielní písmenkový systém by mu v tom měl být nápomocen. To, co je na pokusech Bennerovy skupiny nové je to, že si k tomu nebere věci z přírody. Nekopíruje je. Jde o studium vztahu chemické struktury s genetickým chováním. Jde o hledání zcela nových struktur a také zcela nových forem „života“.
Kromě snílkovství se Bennerův tým stále zabývá i praktickými věcmi. Právě nyní řeší problém jak utratit sto milionů dolarů, které by měly sloužit ke zvládnutí cystické fibrózy a na vyšetřování biologického materiálu k detekci významných genů. Například těch, co způsobují mutace vedoucí k rakovině. Umělým nepřirozeným formám DNA, laškujícim s tvorbou homunkula, se zřejmě bude dařit i dál a tak bychom si na jejich existenci měli začít zvykat.
Pramen: American Chemical Society
Diskuze:
