Polimeraza RNA czyta syntetyczny kod genetyczny. Odkrycie badaczy z UC San Diego

Zespół naukowców z University of California San Diego pod kierunkiem dr. Donga Wanga wykazał, że polimeraza RNA typu dzikiego – wyizolowana z bakterii Escherichia coli i niezmodyfikowana genetycznie – potrafi precyzyjnie odczytywać oraz transkrybować syntetyczny, ośmioliterowy alfabet genetyczny. Badacze zaprezentowali wyniki szczegółowych analiz biochemicznych i strukturalnych na łamach czasopism naukowych „Nature Communications” oraz „PNAS”.

Struktura molekularna i alfabet Hachimoji

Do odwzorowania molekularnego mechanizmu działania enzymu autorzy pracy użyli kriomikroskopii elektronowej wysokiej rozdzielczości (cryo-EM) oraz metod biochemicznych. Technika cryo-EM pozwoliła uzyskać obraz strukturalny ukazujący moment rozpoznawania i włączania syntetycznych liter do powstającej cząsteczki RNA. Analizowany w eksperymencie system opiera się na ośmioliterowym alfabecie genetycznym Hachimoji. Oprócz czterech zasad naturalnych (adeniny, tyminy, cytozyny i guaniny) w skład układu wchodzą cztery syntetyczne zasady azotowe, oznaczone jako S, B, Z oraz P.

Uzyskane obrazy ujawniły, że enzym bakteryjny przyłącza i włącza sztuczne pary zasad S–B oraz Z–P przy użyciu tych samych sygnałów biochemicznych i konformacyjnych, które stosuje w odniesieniu do naturalnych nukleotydów. Białko przeprowadziło ten proces bez konieczności wcześniejszego wprowadzania modyfikacji genetycznych czy stosowania inżynierii białkowej. Naukowcy przeprowadzili wszystkie próby wyłącznie w warunkach laboratoryjnych in vitro na wyizolowanym enzymie. Doświadczenie nie obejmowało testów na żywych komórkach, a autorzy nie opublikowali danych dotyczących wskaźnika błędu transkrypcji syntetycznych liter.

Geometria cząsteczek a kontrola jakości

Naturalny kod genetyczny znanych organizmów składa się z czterech zasad azotowych budujących kwasy nukleinowe. Odkrycie naukowców z San Diego dostarcza dowodu mechanistycznego na to, że komórkowy aparat transkrypcyjny opiera swój system kontroli jakości głównie na geometrii cząsteczek. Dzięki temu enzym potrafi przetwarzać sztuczne litery kodu bez potrzeby ewolucyjnego dostosowywania swojej struktury.

Dalszy rozwój tej metody wymaga pokonania trudności technologicznych związanych z przeniesieniem badań z fazy in vitro do żywych organizmów (in vivo), w tym rozwiązania problemu transportu syntetycznych nukleotydów przez błony komórkowe. Zrozumienie sposobu, w jaki polimeraza odczytuje niekonwencjonalne zasady, otwiera jednak drogę do projektowania syntetycznych cząsteczek RNA o nowych zastosowaniach diagnostycznych i terapeutycznych.