Zusammenfassung:
Der Bereich der synthetischen Biologie hat in letzter Zeit bedeutende Meilensteine erreicht. Die neueste Forschung eines wissenschaftlichen Forschungsteams der University of California, San Diego, USA, zeigt, dass Kernenzyme, die natürlicherweise in Erdorganismen vorkommen, eine erweiterte Version des genetischen Codes, bestehend aus acht chemischen Buchstaben, genau erkennen und transkribieren können.
Diese Entdeckung durchbricht das inhärente Verständnis, dass das Leben in der Natur über Milliarden von Jahren nur auf vier Grundlagen aufgebaut wurde. Es beweist, dass die bestehende molekulare Maschinerie lebender Zellen vollständig in der Lage ist, künstlich synthetisierte genetische Informationen zu verarbeiten, und legt damit eine wichtige molekulare Grundlage für die zukünftige Entwicklung neuer Präzisionsmedizin, zielgerichteter Medikamente und technischer biologischer Systeme.
Die genetische Information aller bekannten Lebensformen auf der Erde ist im DNA-Kodierungssystem erfasst, das aus den vier chemischen Buchstaben Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G) besteht. Obwohl Wissenschaftler zuvor im Labor neue Basen synthetisiert haben, die in die Doppelhelixstruktur der DNA integriert werden können (wie das „Acht-Zeichen-DNA“-System mit den vier synthetischen Basen P, Z, B und S), war die Frage, ob diese unnatürlichen Buchstaben durch den Lesemechanismus in natürlichen Zellen genau analysiert werden können, schon immer der größte Engpass für die praktische Anwendung der synthetischen Biologie.
In der neuesten in Nature Communications veröffentlichten Studie konzentrierte sich das Forschungsteam auf das Schlüsselenzym der Genexpression – RNA-Polymerase (RNA-Polymerase). Forscher nutzten die Technologie der Kryo-Elektronenmikroskopie (Cryo-EM), um erfolgreich einen dynamischen Schnappschuss der dreidimensionalen Struktur der RNA-Polymerase von Escherichia coli (E. coli) zu erfassen, wenn diese synthetische Basen in einem hochauflösenden Maßstab liest und transkribiert, der kleiner als die Breite eines einzelnen Atoms ist. Experimentelle Daten zeigen, dass die Transkriptionsgenauigkeit und Effizienz dieses natürlichen Enzyms bei der Verarbeitung synthetischer Basenpaare in hohem Maße mit denen natürlicher Basenpaare vergleichbar sind.
Die Strukturanalyse ergab außerdem, dass die RNA-Polymerase diese synthetischen Buchstaben nicht als „Fremdobjekte“ abstößt, sondern sie anhand struktureller und chemischer Signalknoten genau erkennt, die fast die gleichen sind wie diejenigen, die zur Erkennung natürlicher Basen verwendet werden. Darüber hinaus stellte das Forschungsteam in einer weiteren ergänzenden Studie, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht wurde, fest, dass die RNA-Polymerase sogar einige unnatürliche Basenpaare, denen traditionelle Wasserstoffbindungskräfte fehlen, genau erkennen und transkribieren kann, was den Designraum künstlicher genetischer Alphabete erheblich erweitert.
Die Erweiterung des genetischen Alphabets von vier auf acht bedeutet eine geometrische Vergrößerung der Informationsspeicherkapazität. Die 64 genetischen Codes, die ursprünglich aus drei Buchstabenkombinationen bestanden, werden explosionsartig expandieren und es ermöglichen, neue Aminosäuren und funktionelle Proteine, die in der Natur nicht vorkommen, künstlich zu entwerfen und zu synthetisieren. Die Forscher wiesen darauf hin, dass diese Technologie zuvor einzigartige Vorteile im Bereich der molekularen Diagnostik gezeigt hat, wie beispielsweise die gezielte Identifizierung von Leberkrebszellen, und dieses Mal hat sie den Transkriptionsmechanismus natürlicher Enzyme erobert, wodurch die technischen Hindernisse für die Verwendung von Wirtszell-Bioreaktoren zur Herstellung synthetischer Arzneimittel und fortschrittlicher Biomaterialien vollständig beseitigt werden.
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