تمام موجودات زنده شناختهشده روی زمین به یک الفبای ژنتیکی چهارحرفی وابسته هستند. اکنون پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو نشان دادهاند که یکی از مهمترین آنزیمهای زیستشناسی میتواند نسخه بسیار بزرگتری شامل هشت حرف ژنتیکی را با دقت بخواند و رونویسی کند.
این یافته نشان میدهد که سلولها میتوانند از ماشینآلات مولکولی موجود خود برای پردازش اطلاعات ژنتیکی مصنوعی استفاده کنند. این موضوع گامی مهم به سوی هدفی دیرینه در زیستشناسی مصنوعی است: گسترش زبان DNA فراتر از چهار حرف یافتشده در طبیعت. در آینده، چنین سیستمهایی میتوانند به دانشمندان کمک کنند تا ماشینآلات بیولوژیکی را مهندسی کنند که عملکردهای جدیدی را انجام دهند یا ترکیباتی را تولید کنند که به طور طبیعی وجود ندارند.
سلولها چگونه الفبای ژنتیکی هشتحرفی را میخوانند؟
پژوهشگران بر روی RNA پلیمراز تمرکز کردند؛ آنزیمی که DNA را میخواند و RNA تولید میکند -- اولین مرحله در بیان ژن. برای دیدن نحوه برخورد آنزیم با اطلاعات ژنتیکی مصنوعی، تیم آزمایشهای بیوشیمیایی را با میکروسکوپی الکترونی یخزده با وضوح بالا ترکیب کرد که قادر است ساختارهایی را در مقیاسهایی کوچکتر از عرض یک اتم آشکار سازد.
پژوهشگران نماهای ساختاری دقیقی از RNA پلیمراز باکتری اشریشیا کلی (E. coli) را هنگامی که دو جفت باز مصنوعی را شناسایی و ادغام میکرد، ثبت کردند. این حروف ژنتیکی مصنوعی در طبیعت یافت نمیشوند.
تصاویر نشان دادند که RNA پلیمراز حروف DNA مصنوعی را با استفاده از بسیاری از همان سیگنالهای بیوشیمیایی و ساختاری که برای شناسایی جفتهای باز طبیعی به آنها تکیه میکند، شناسایی میکند. این یافته به توضیح اینکه چرا آنزیم میتواند اطلاعات نوشتهشده با استفاده از الفبای ژنتیکی گستردهتر را با دقت کپی کند، کمک میکند.
در مطالعه مرتبطی که در PNAS منتشر شد، همان تیم پژوهشی دریافت که RNA پلیمراز همچنین میتواند جفت دیگری از جفتهای باز مصنوعی را شناسایی کند، حتی اگر پیوندهای هیدروژنی که معمولاً به نگه داشتن جفتهای باز DNA کمک میکنند، در آنها وجود نداشته باشد.
DNA مصنوعی میتواند فناوریهای جدیدی را ممکن سازد
کاربردهای بالقوه فراتر از درک نحوه عملکرد DNA است. تحقیقات قبلی از قبل از الفباهای ژنتیکی گستردهتر برای ایجاد مولکولهای DNA مصنوعی استفاده کرده بودند که قادر به شناسایی سلولهای سرطان کبد بودند.
با نشان دادن جزئیات مولکولی نحوه خواندن و رونویسی حروف DNA غیرطبیعی توسط RNA پلیمراز، این تحقیق جدید پایهای مهم برای فناوریهای ساختهشده حول کدهای ژنتیکی گستردهتر فراهم میکند. کاربردهای احتمالی شامل ابزارهای تشخیصی جدید، درمانها و سیستمهای بیولوژیکی مهندسیشده با قابلیتهایی است که به طور طبیعی رخ نمیدهند.
دو مطالعه کدهای ژنتیکی گستردهتر را بررسی میکنند
مطالعه Nature Communications («مبنای ساختاری رونویسی الفبای هشتحرفی هاچیموجی توسط RNA پلیمراز E. coli»)، به رهبری دونگ وانگ، دکترای علوم دارویی و استاد مدرسه اسکگز داروسازی و علوم دارویی دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو، در تاریخ ۲ سپتامبر ۲۰۲۶ در Nature Communications منتشر شد.
مطالعه PNAS («جفت باز غیرطبیعی آبگریز باعث بسته شدن حلقه محرک و کاتالیز در RNA پلیمراز سلولی مستقل از پیوند هیدروژنی میشود»)، منتشر شده در ۱۲ آگوست ۲۰۲۶، نیز به رهبری وانگ بود.