Zvětšit obrázek

Čtyři "písmena" genetického kódu DNA, jak jej známe z přírody: báze A, T, G, C

Klasika
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 organismy v řídících centrech svých buněk 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.

Zvětšit obrázek

Ribonukleové kyseliny (RNA) mají čtyři báze: adenin (A), guanin (G), cytosin (C), a uracil (U). První tři jsou totožné s těmi, které se nacházejí v DNA, ale uracil v DNA nahrazuje thymin (T).

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 k sobě vážou přes vodíkové můstky vždy jen 1 purinová a 1 pyrimidinová báze. Guanin se váže s cytosinem a adenin s thyminem. Dvě DNA vlákna (primární struktura DNA) většinou vytváří sekundární strukturu – šroubovici.

RNA

Zvětšit obrázek

PNA a DNA. PNA je zkratka z anglického Peptide nucleic acid. Jde o umělý polymer podobný DNA, který je schopen replikace.

Ribonukleová kyselina (RNA, česky někdy také RNK) je také složená z vlákna kovalentně navázaných nukleotidů. Od DNA se liší přítomností dodatečné hydroxylové skupiny, připojené ke každé pentózové molekule a také používáním uracilu na místo thyminu.

Co bylo dříve
K životu neodmyslitelně patří množení. Tedy i kopírování nukleové kyseliny, vytváření nových komplementárních vláken s nukleotidy v správném pořadí. A to si v současnosti vyžaduje přítomnost proteínů. Ale jak to mohlo na začátku vzniknout - nukleové kyseliny bez proteinů a naopak? Zastánci „RNA“ hypotézy argumentují tím, že RNA sama byla iniciátorem, protože má dvojí schopnost - nejen, že nese genetickou informaci, ale také katalyzuje chemické reakce. Tato představa byla letos podpořena vědci ze Scripps Research Institute v San Diegu, kteří ukázali, že malé fragmenty RNA mohou samy katalyzovat svojí reprodukci. Otázka, co bylo dříve, ale i po tomto objevu zůstala neobjasněna.

Zvětšit obrázek

Cytosin monomer (nukleová báze z rodiny thioesterů se připravuje synteticky)

Analogy nukleových kyselin
Vědci několika pracovišť již dříve syntetizovali DNA a RNA podobné molekuly, kterých vlákno obsahovalo jednodušší cukry než přírodní originál. Taky o nich tvrdili, že mohly hrát hlavní roli při vzniku života. O jedné z těchto prací jsme na Oslu psali v článku "Nepřirozená umělá DNA má 12 písmen místo obvyklých čtyř". To ale šlo o umělé nukleotidové báze zkonstruované z isoguaninu (označované též jako iso-G) a 5-methyl-isocytidinu (iso-C). Tentokrát se budeme věnovat jinému případu. Ve snaze najít něco jednoduššího, Reza Ghadiri ze Scripps Research Institute in La Jolla (Kalifornie) se svými americkými kolegy se odpoutali od představ kostry z cukru a fosfátu. Místo toho se zaměřili na aminokyseliny, stavební kameny proteinů.

 

Reza Ghadiri: „U žádného z dřívějších syntetických informačních polymerů se nedosáhlo toho, že by reagoval na selekční tlak v prostředí bez enzymů. Připravili jsme oligomery, které se efektivně váží reverzibilními kovalentními vazbami mezi nukleovými bázovými jednotkami. Ty jsou navázány na jednoduchou kostru z oligo-dipeptidů. Označují se tPNA (podle anglického thioester peptid nucleo acid). Na změnu matrice v roztoku reagují dynamickou sekvenční modifikací.“

Je to logický krok, protože v době vzniku života se v prvotní „polévce“ substance tohoto složení mohly vyskytovat. V nejnovějším čísle časopisu Science vyšel článek, který blíže popisuje novou syntetickou molekulu. Zatímco DNA má kostru z cukrů, Ghadiri při tvorbě své syntetické molekuly postupoval následovně. Nejprve sestavil krátké lešení z opakujících se jednotek dvou aminokyselin (dipeptidy) zahrnující aminokyselinu cystein. Na tento základ navěsil báze přidáváním adenin thioesterů. Ty reagují reversibilně s cysteiny tvořícími kostru molekuly, přičemž adeninové báze „vyčnívají“ ven. Výsledkem je molekula zvaná thioester peptid nukleová kyselina (tPNA).

Matení jazyků
V populárních článcích se o tPNA mluví jako o „DNA-like“ molekule,  nebo jako o „syntetické molekule DNA postavené na peptidech“. A nebo také jako o „hybridní molekule“, případně jen o „hybridu“. Noviny již udělaly z objevu úplný gulage. Je dobré si uvědomit, kdy a proč se zde používá označení hybridní, protože je příčinou nedorozumění. Když autoři objevu mluví o hybridní molekule, tak tím mají na mysli jimi vytvořenou syntetickou molekulu, jež je obdobou DNA, ale obsahuje proteiny. Míní tím tPNA, nikoli strukturu (dvojvlákno) vznikající až na základě komplementární vazby mezi tPNA a DNA.

Ochota ke spolupráci
Klasická DNA se svojí syntetickou, z hlediska pořadí nukleotidů komplementární proteinovou sestrou (tPNA) spojuje ochotně a bez problémů. Když se takový nezazipovaný segment DNA (jedno vláknová DNA, která slouží jako matrice) přidá do roztoku, ve kterém plavou komponenty pro tvorbu syntetické molekuly tPNA, armáda nukleových bází zaujme příslušnou formaci na peptidovém vláknu a vytvoří komplementární vzor k dané DNA. Prakticky se jedná o podobný mechanismus, jako v případě Watson-Crickova modelu, kde se páruje adenin s tyminem a cytosin s guaninem.

Zvětšit obrázek

Molekulární model vytváření duplexu tPNA ke komplementárnímu vláknu RNA.

Komplementární tPNA a DNA vlákna se vzájemně spojí  – zip se „zatáhne“. Vzniklé dvojvlákno lze ale poměrně snadno zase od sebe oddělit. Stačí k tomu do roztoku přidat klasické komplementární DNA vlákno. To syntetickou molekulu v jejím společném svazku s DNA nahradí a tPNA se uvolní do prostředí. 

Zvětšit obrázek

Dynamická záměna nukleových bází. Tymin thioester je během šesti hodin prakticky nahrazen adenin thioesterem. V grafu je vyznačeno relativní procento nukleových thioesterových bází navázaných na peptid. Snadná záměna nesvědčí o velké stabilitě systému. (Yasuyuki Ura, et al. 2009)

Zatímco DNADNA spárovaná vlákna jsou stabilní, tvrdit totéž o vazbě DNA-tPNA  nelze.
Celý cyklus vzniku tPNA vláken se může opakovat. Stačí k tomu, aby do roztoku, ve kterém jsou příslušné stavební prvky, se znovu přidal vzor - vlákno DNA a prakticky hned se vytvoří nové řetězce tPNA.

Samy sobě matricí
Ghadiriho týmu se podařilo zjistit, že vlákna tPNA ke svému vzniku DNA nepotřebují. Mohou totiž také samy fungovat jako matrice a postarat se o vytvoření komplementárních tPNA vláken. Vytvořená vlákna se na sebe vážou, obdobně jako vlákna DNA za vzniku dvoušroubovice. Na rozdíl od DNA, která ke svému množení potřebuje enzym (polymerázu), se množení tPNA bez enzymů obejde. Podle vědců se právě touto vlastností syntetických hybridních molekul podařilo překonat paradox „co bylo dříve“.

Evoluce?
V roztoku, ve kterém jsou vlákna DNA a vlákna RNA vystavena kontaktu s hybridními syntetickými molekulami (tPNA), tyto molekuly začnou přeskupovat svůj „nukleovo-kyselinový makeup“  a poopraví se tak, aby se na DNA a RNA těsněji navázala. Vzniklé molekuly (tPNA) se navíc mohou vázat k dalším tPNA molekulám. Jde o molekuly, které jsou schopny kopírovat samy sebe. Analogie mezi tPNA molekulami a klasickými DNA molekulami je výrazná až na pár rozdílů. Jeden jsme již jmenovali – u syntézy řetězce nemusí asistovat enzym. Další rozdíl je v tom, že tPNA  se v roztoku mění relativně rychle. To je pro úvahu, zda se tento systém uplatnil u vzniku života tak trochu hendikepem. Nejde totiž o dostatečně stabilní systém. Častá změna v sekvencích tPNA není nejlepším vkladem pro plnění funkce přenašeče genetické informace a předávání znaků na potomstvo. Takový přenos by byl zatížen řadou chyb. Určitá „poruchovost“ systému sice není na škodu, protože umožňuje náhodný vznik variant, které mají větší šanci v daném prostředí přežít. Na druhou stranu, všeho moc škodí. Příliš slabá vazba bází v tPNA se zdá být největším problémem objevených syntetických hybridních molekul. Poruchovost takového systému by byla příliš velká, než aby byl schopen fungovat dlouhodobě.

Závěr
Ghadiriho tým nám nabídnul nový pohled do chemických dějů, které by mohly stát u zrodu života. Současně nastolil novou otázku -  jak stabilní systém přenosu genetické informace musí být, aby se prosadil?

Prameny: Science, Self-Assembling Sequence-Adaptive Peptide Nucleic Acids