Minden életforma alapját egy kód adja. Sejtjeink ezt használják arra, hogy a DNS-ünkben található információkat fehérjékké alakítsák. Ugyanezt teszik a juharfák, a cápák és a gombák is. Néhány kisebb eltéréstől eltekintve a genetikai kód univerzális, ugyanakkor redundáns is. A DNS többféle módon is kódolhatja a fehérjék ugyanazon építőelemeit. A kutatók régóta próbálják feltárni, hogy vajon ez a redundancia valamilyen célt szolgál, vagy csak a véletlennek köszönhető.
A génmanipuláció fejlődésének köszönhetően ezzel kapcsolatban ma már nem csak találgatni lehet. Az elmúlt évtizedben a kutatók kisebb méretű genetikai kóddal rendelkező mikroorganizmusokat hoztak létre, amelyekből részben hiányzik a redundancia. A Science folyóiratban pedig nemrégiben megjelent egy új tanulmány, amely az eddig legegyszerűbb genetikai kóddal rendelkező mikroorganizmust írja le.
Figyelemre méltó, hogy ezek a génmódosított baktériumok rövidített kóddal is működnek, ami egyértelműen bizonyítja, hogy a teljes genetikai kód nem feltétele az életnek.
„Az élet továbbra is működik” – mondta Wesley Robertson, a cambridge-i Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology szintetikus biológusa, a tanulmány egyik szerzője.
Az alapok
A DNS-ünk négy különböző molekuláris építőelemből, az úgynevezett bázisokból épül fel: adeninből (A), timinből (T), guaninból (G) és citozinból (C). Ezeknek a bázisoknak a több száz vagy ezerből tagból álló sorozata alkotja a géneket. Sejtjeink pedig a génekben található bázisok sorozatát fehérjékké alakítják. Ennek során sejtjeink három bázist olvasnak egyszerre, úgynevezett kodonokba rendezve a kódot. Minden kodon a sejtben rendelkezésre álló 20 különböző aminosav egyikének felel meg. Ezeket az aminosavakat fűzi össze aztán a sejt, hogy fehérjéket építsen fel.
A genetikai kód egyik legfontosabb jellemzője, hogy egy aminosavat több kodon is kódolhat. Például a TCT bázishármas a szerin aminosavat eredményezi. De ugyanezt teszi öt másik kodon is: TCC, TCA, TCG, AGT és AGC. Összesen 61 különböző kodon adja a 20 aminosavat. További három kodon jelzi sejtjeinknek, hogy elérték a gén végét. Összesen 64 kodonnal a genetikai kód így rendkívül redundáns.
A szakértők az 1960-as évek óta töprengenek az élet kódjának „túlméretezésén”. Néhány kivételtől eltekintve a Földön minden faj ugyanazt a 64 kodont használja. A kutatók úgy gondolják, hogy mivel a kód univerzális, biztosan van valami lényeges oka annak, hogy ennyiféleképpen lehet fehérjéket építeni.
Körülbelül egy évtizeddel ezelőtt a kutatók új, tömörített genetikai kódok létrehozásával kezdték el tesztelni elképzeléseiket. A DNS-szintézis terén elért fejlődés lehetővé tette számukra, hogy a nulláról építsék fel a genomokat, és eltávolítsák a redundáns kodonok egy részét, hogy megnézzék, a sejtek képesek-e túlélni egy kisebb kóddal.
„Elkezdhetjük feltárni, mit képes elviselni az élet” – mondja Nyerges Ákos, a Harvard szintetikus biológusa, aki a genetikai kód zsugorításán dolgozik.
„Végre kipróbálhatjuk ezeket az alternatív genetikai kódokat.”
Megrövidíteni!
Robertson és kollégái a Medical Research Councilnál ugyanezen dolgoznak. Mindkét csapat az Escherichia coli nevű baktériummal kísérletezik, amely az emberi bélben él, és több mint egy évszázada intenzíven tanulmányozzák. Kiválasztották a felesleges kodonokat, hogy eltávolítsák őket, remélve, hogy ez nem károsítja a mikrobát. Robertson csapata például azt tűzte ki célul, hogy a hat szerin-kodont kettőre csökkentse.
Ezek a tervek hatalmas mérnöki munkát igényelnek. Az E. coli genomja körülbelül négymillió bázispár hosszú, és minden kodontípus több ezer különböző helyen fordul elő a genomban. Ennyi változtatás végrehajtásához a kutatóknak teljesen újra kell építeniük a genomot.
A Medical Research Council csapata 2019-ben mutatta be első sikeres alkotását: egy olyan E. coli változatot, amely csak 61 kodont tartalmaz, és amelyet Syn61 névre kereszteltek. Az a tény, hogy három kodon nélkül is képes túlélni, arra ösztönözte őket, hogy még tovább csökkentsék a baktérium genetikai kódját.
„Az motivált minket, hogy megnézzük, meddig tudjuk egyszerűsíteni a genetikai kódot”
– mondja Robertson.
Kollégáival elhatározták, hogy létrehozzák a Syn57-et, egy olyan E. coli változatot, amely csak 57 kodont tartalmaz. Így versenybe szálltak Nyerges harvardi csapatával, akik már korábban is ugyanezt a célt tűzték ki maguk elé. A Syn61 esetében a kutatók több mint 18 ezer kodont módosítottak az E. coli genomjában. A Syn57 létrehozásához több mint 100 ezret kellett módosítaniuk. Ezeket a változásokat úgy tesztelték, hogy kis DNS-fragmentumokat készítettek, és megfigyelték, hogy a mikroba mennyire tudja azokat leolvasni.
Egyes módosítások nem okoztak problémát, mások azonban súlyos gondokhoz vezettek. A baktériumok rendelkeznek bizonyos génekkel, amelyek átfedik egymást, így egy gén kódjának megváltoztatása véletlenül tönkreteheti a másik gén szekvenciáját. A kutatóknak számos javítást kellett kitalálniuk a károk helyrehozásához, többek között el kellett választaniuk az egymást átfedő génpárokat, hogy különálló DNS-szakaszokat hozzanak létre.
„Határozottan voltak olyan időszakok, amikor nem tudtuk, hogy ez zsákutca, vagy mégis sikerülhet” – emlékezik vissza Robertson. Hibáról hibára a kutatók rájöttek, hogyan lehet kijavítani a megváltozott DNS-t. ÉS a napokban közzétették, hogy sikerrel jártak: létrehozták a Syn57-et. „Elég őrületes, hogy sikerült véghezvinniük” – mondja Yonatan Chemla, a MIT szintetikus biológusa, aki nem vett részt a kutatásban. „Ez egy technikailag rendkívüli bravúr.”
Eközben a Harvardon Nyerges és kollégái is sajátos hibákkal szembesültek. „A genomokban sokkal több rejlik, mint gondoltuk. Még mindig nem vagyunk túl jók a biológia tervezésében” – mondja a kutató. Az ő csapata a múlt hónapban jelentette be, hogy hét DNS-darabból összeállítottak egy 57 kodonos genomot. Most azon dolgoznak, hogy ezeket egyetlen molekulává kapcsolják össze. „Biztosan sikerülni fog” – véli Nyerges.
Létkérdések
A Syn57 kétségtelenül él, de alig. Az E. coli általában egy óra alatt duplázza meg populációját, a Syn57-nek ehhez négy órára van szüksége, ami rendkívül gyenge teljesítménynek számít. Robertson és kollégái most azon dolgoznak, hogy megpróbálják fokozni a Syn57 gyarapodását. Ha sikerrel járnak, más kutatók is képesek lehetnek úgy módosítani a baktériumot, hogy olyan hasznos feladatokat végezzen, amelyeket a hagyományos mikroorganizmusok nem tudnak.
A sejtjeinkben a fehérjék előállításához használt 20 aminosav mellett a vegyészek több száz más aminosavat is előállíthatnak. Lehetséges, hogy a Syn57-et úgy is át lehet programozni, hogy a hét hiányzó kodonja ilyen másfajta aminosavakat kódoljon. Ez lehetővé tenné, hogy a baktériumok új típusú gyógyszereket vagy más hasznos molekulákat állítsanak elő.
A Syn57 segíthet a tudósoknak abban is, hogy kezeljék azokat a potenciális kockázatokat, amelyekkel a génmódosított mikroorganizmusok környezetbe jutása járhat. A mikrobiológusok már régóta vizsgálják, hogyan lehetne a mikroorganizmusokkal műanyagot lebontani vagy szennyező anyagokat kimutatni a talajból. A baktériumok azonban könnyen cserélnek géneket, egy gén kiszabadulhat egy génmódosított mikroorganizmusból, és elterjedhet a környezetben, ami ökológiai károkat okozhat.
Ugyanakkor ez a terjedés csak akkor válna fenyegetéssé, ha más baktériumok is képesek lennének leolvasni a génmódosított gént, és abból fehérjéket előállítani. Ha a gén egy olyan mikroorganizmusból származik, mint a Syn57, amely más genetikai kódot használ, akkor az a természetes mikroorganizmusok számára értelmetlen lenne.
„Így megakadályozhatjuk, hogy információ szivárogjon ki a szintetikus organizmusunkból”
– mondja Robertson.
A redundancia titkai
A Syn57-hez hasonló organizmusok lehetővé tehetik a szakértők számára, hogy megfejtsék a genetikai kód rejtélyét. 1968-ban a Nobel-díjas biológus Francis Crick két ellentétes hipotézist vázolt fel arra vonatkozóan, hogy ez miért egyszerre miért redundáns és univerzális.
Az egyik lehetőség az volt, hogy a 64 kodonból álló genetikai kódnak valamilyen rejtett előnye van más elrendezésekkel szemben. Amikor a korai Földön kialakult ez a rendszer, a természetes szelekció kedvezett neki, amíg ki nem szorította az összes többit.
Crick azonban inkább a második magyarázat felé hajlott: azon a véleményen volt, hogy a genetikai kód nagyrészt a véletlen eredménye.
Feltételezte, hogy mutációk miatt bizonyos kodonok bizonyos aminosavakat kódolnak. Ahogy a korai életformák bővítették genetikai kódjukat, egyre összetettebb fehérjéket tudtak építeni. Az evolúció azonban véletlenszerűen kapcsolta össze a kodonokat az aminosavakkal.
Miután a fehérjék nagyok és összetettek lettek, a genetikai kód nem tudott tovább fejlődni. Bármely mutáció, amely megváltoztatta volna, sok hibás fehérjét eredményezett volna. Robertson szerint a Syn57 hét kodon nélkül való túlélési képessége is ezt a teóriát támasztja alá. „Ez azt mutatja, hogy az univerzális genetikai kódban nincs semmi alapvető” – mondja.
