1. oldal
A gének szerkesztésére, vagyis a genetikai kód egyes részeinek bizonyos célból történő megváltoztatására egy pár éve már képesek a szakértők, a Yale és a Harvard kutatói azonban kidolgoztak egy metódust, amelynek segítségével akár egy teljes genom is átírható. A DNS minden általunk ismert élőlényben négyfajta bázisból (adenin, citozin, guanin, timin) épül fel, amelyek hármas csoportokban egy-egy aminosavat, a fehérjék építőköveit kódolják. A genetikai kód univerzális, vagyis ugyanaz a bázishármas (kodon) ugyanazt az aminosavat határozza meg a Föld összes élőlényében. A GCA például alanint, a TGT pedig ciszteint jelent. A fehérjeszintézis során a kodonoknak megfelelő sorrendben épülnek egymás után az aminosavak, egészen az úgynevezett stop kodonig, amely a transzláció végét jelzi, vagyis közli a riboszómával, hogy az adott fehérje elkészült.
Minden emberben, fában és baktériumban ugyanazon kód szerint működik tehát a folyamat, vagyis egy adott kodon kisebb variációkkal mindenütt ugyanazt az aminosavat jelenti. A genetikai kódot azonban komoly redundancia is jellemzi: a négy bázisból 64 lehetséges hármas állítható össze, amelyek azonban mindössze 20 aminosavhoz, illetve a három stop kodonhoz vannak kiosztva. Az alanint például négyféle kodon is kódolja (GCT, GCA, GCC, GCG).
A Farren Isaacs és George Church vezette kutatócsoport pontosan az ilyen kodonokra koncentrál kísérletei során, amelyek első fázisában az Escherichia coli baktérium genomjában az összes TAG tripletet TAA-ra cserélték le. Mindkettő stop kodon, így a csere semmiféle hatással nem volt a baktérium fehérjeszintézisére, ugyanakkor felszabadította a TAG kodont, amelyhez a szakértők így tetszés szerinti új „jelentéseket”, a megszokott 20-on kívüli aminosavakat rendelhetnek.
És hogy ennek mi értelme van? A kutatók három különböző alkalmazási lehetőségben gondolkodnak. Az átkódolás révén először is újfajta, a baktérium által korábban nem termelt fehérjék hozhatók létre, amelyek aztán új funkciókkal láthatják el a mikrobát. A módszerrel különféle hatóanyagok vagy egyéb hasznos tulajdonságokkal rendelkező szubsztanciák aprócska gyáraivá lehet alakítani a mikrobákat, például olyan baktériumokat lehet kreálni, amelyek antimikrobiális anyagokat vagy speciális enzimeket termelnek és szekretálnak.
Egy másik lehetőség az élőlények vírusokkal szembeni ellenálló képességének növelése a genetikai kód átírása révén. A vírusok a gazdasejt fehérjeszintetizáló rendszere fölött veszik át az uralmat, és ennek segítségével készítenek másolatokat magukról. Ha azonban a riboszómák nem az univerzális genetikai kódnak megfelelően dolgoznak, hanem a kutatók által meghatározott, módosított kód szerint, akkor működő vírusmásolatok helyett használhatatlan fehérjék fognak keletkezni, megállítva a kórokozó terjedését.
Végül az átkódolás nagyon hasznos lehet abban az esetben is, ha egy genetikailag módosított organizmus kordában tartása a feladat. A kód gondos megváltoztatása révén elérhető, hogy az élőlények ne legyenek képesek keveredni a vadon élő populáció tagjaival, és ellenőrizetlen genetikai állományú utódokat létrehozni.
Maga az átkódolási művelet két, egymást kiegészítő technológián alapul. A MAGE révén először lecserélték a TAG hármasokat TAA-ra a bakteriális DNS egyes részeiben, a CAGE segítségével pedig a szerkesztett darabokat egy új genommá fűzték össze. A MAGE, avagy a többszörös automatizált genommanipulálás technológiáját két éve fejlesztették ki, eredetileg abból a célból, hogy egy bakteriális genom több millió különféle variánsát gyártsák le a segítségével, különböző új funkciók után kutatva köztük. Az „evolúciós gépezet”, ahogy fejlesztői emlegetik, néhány nap alatt kitermelt például egy olyan E. coli törzset, amely nagy mennyiségben termeli a likopin nevű, a paradicsom piros színéért felelős pigmentet.
A MAGE azonban nemcsak sokfajta apró változás létrehozására képes, hanem arra is alkalmas, hogy szisztematikus változtatásokat eszközöljünk vele egyetlen sejten. A TAG 321 helyen fordul elő az E. coli körkörös genomjában. A kutatócsoport minden ilyen régióhoz legyártott egy olyan kisebb DNS-szakaszt, amely TAA-t tartalmazott TAG helyett, a környező bázisok azonban megegyeztek az eredeti genomban találhatókkal. Ezeket a fragmentumokat bejuttatták a baktériumba, amely osztódása során felhasználta őket a DNS másolatának létrehozásában, így az újonnan keletkező baktérium már a szerkesztett genommal rendelkezett.
2. oldal
Minden TAG egyszerre való lecserélése túlságosan kockázatos lett volna, így az eljárás során egy alkalommal mindig csak tíz helyen eszközöltek szerkesztést a kutatók. Rövidesen 32 olyan baktériumtörzzsel rendelkeztek, amelyekben összesítve minden lehetséges helyettesítés előfordult. A következő lépésben ezek egyetlen genomba való átvitele volt a feladat. A CAGE technika során horizontális géntranszfer történik, amelyben konjugációval, azaz közvetlen sejtkapcsolat útján cserélődnek ki DNS egyes szakaszai. A szakértők a 32 törzs tagjait párokba rendezték, és a pár egyik fele átadta szerkesztett génjeit a másiknak, amely így már 20 szerkesztett triplettel bírt. A létrejövő 16 baktériumtörzset aztán megint párokba rendezték, majd addig ismételték az eljárást, míg végül egyetlen törzs maradt, amelynek minden eredeti TAG bázishármasa helyén TAA állt.
A kutatók a következő lépésben megszabadultak RF1 nevű elbocsátó faktortól is, amely stop kodonként értelmezi a TAG bázishármast, így már semmilyen akadálya nem volt annak, hogy új aminosavakat rendeljenek hozzá. A baktérium 355 mutációt szedett össze a folyamatok során, de ezek láthatóan nem okoztak különösebb problémákat vagy változásokat működésében.
Ahogy a kutatók reménykedtek, már ennyi változtatás is elég volt ahhoz, hogy a baktérium jóval ellenállóbb legyen a vírusokkal szemben, mint eredeti változata volt. A rezisztencia persze nem volt tökéletes, de ahhoz képest, hogy csak egyetlen kodonon változtattak, meglepően hatásosnak mutatkozott.
A kutatás következő szakaszában a szakértők a ténylegesen aminosavakat kódoló tripletek genomszintű átkódolásába kezdenek bele. Ez persze jóval nehezebb feladat lesz, hiszen a bázisok lecserélésével megváltozhat a gének aktivációs mechanizmusa, hatékonysága és pontossága, ráadásul mivel a bakteriális genom génjei több helyen átfedik egymást, egyetlen kodon megváltoztatásában akár három gén is érintett lehet. És ezek még csak azok a problémák, amelyekkel már most tisztában vannak a kutatók, munka közben azonban várhatóan még számos egyéb gondra fény derül majd.
Az aminosavakat kódoló tripletek továbbá jelentősen gyakrabban fordulnak elő a genomban, mint az egyes stop kodonok. Míg a TAG 321 helyen bukkan fel az E. coli genomjában, a legritkább aminosav-tripletek (AGA, AGG) lecseréléséhez több mint 5000 szerkesztést kell eszközölni. A 13 legritkább ilyen kodon „felszabadításához” 155 ezer helyen kellene megváltoztatni a bakteriális genomot, amihez jelentős erőfeszítésekre lesz szükség.
A munka előkészítéseként Marc Lajoie és Siriam Kosuri első körben a baktérium 42 esszenciális génjében állt neki lecserélni az említett 13 kodont. Ez jelentősen lecsökkentette a változtatások számát, hiszen mindössze 405 helyen volt szükség szerkesztésre. A tripleteket minden esetben egy olyan hármasra cserélték, amely az eredeti kodonnal azonos aminosavat kódol. Míg a stop kodonok hasonló átkódolása gyakorlatilag puszta „erődemonstrációnak” felelt meg, amely által igazolni akarták a szakértők, hogy a technika működőképes, a projekt második részében biztosak voltak abban, hogy kudarcot vallanak majd, a kérdés csak az volt, hogy milyen mértékű lesz a kudarc.
A végeredmény végül nem is alakult rosszul: a 42 átkódolt génből 26 működőképes maradt, és az ezeket hordozó baktérium életképesnek bizonyult, bár 20 százalékkal lassabban gyarapodott, mint az eredeti változat. Ami talán még fontosabb, bebizonyosodott, hogy 405 érintett kodon külön-külön, illetve kisebb csoportokban is lecserélhető, ami egyrészt az eljövendő hasonló próbálkozásokat jóval hatékonyabbá teheti, másrészt megerősíti, hogy a módszer a genom minden pontján alkalmazható. Kiderült tehát, hogy a kodonok helyettesítésének nincsenek legyőzhetetlen korlátjai, és bár apróbb problémák tömegével akadnak, kellő mennyiségű idő és energia befektetésével egyelőre ezek mindegyike megoldhatónak tűnik.
A következő szakaszban a 13 kodon teljes genombeli lecserélése következik, majd jöhet az átkódolás következő lépése, vagyis az új aminosavak bevonása a fehérjeszintézisbe a felszabaduló tripletek felhasználása révén. Közben pedig remélhetőleg magáról a genetikai kódról, annak természetéről, fejlődéséről és működéséről is egyre többet tudunk majd meg, hiszen ahogy Isaacs fogalmazott, igazából akkor lehet megismerni bármely kódrendszert, ha képesek vagyunk megváltoztatni azt, és vizsgálni a változások következményeit.
