W starannie zaprojektowanym polimerze naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie odcisnęli fragment pojedynczej nici DNA. Otrzymany negatyw pozostawał chemicznie aktywny i był zdolny do przyłączania odpowiednich zasad nukleinowych tworzących kod genetyczny. Polimerowa matryca – pierwsza tego typu w dziejach – funkcjonowała więc dokładnie jak fragment prawdziwego DNA.
Drukowanie molekularne, czyli odciskanie cząsteczek chemicznych w polimerze, to znana metoda, ale wcześniej nikt jej nie użył do skonstruowania łańcucha polimerowego dopełniającego fragment pojedynczej nici DNA. Jako pierwsi dokonali tego naukowcy z IChF PAN w Warszawie we współpracy z University of North Texas (UNT) w Denton, USA, i University of Milan we Włoszech. W odpowiednio dobranym polimerze odwzorowali istotny genetycznie fragment DNA, zbudowany z sześciu zasad nukleinowych.
Wdrukowywanie molekularne przebiega w kilku etapach. Cząsteczki przeznaczone do wdrukowania umieszcza się w roztworze tak dobranych monomerów, aby samoczynnie układały się wokół wdrukowywanych cząsteczek. Następnie tę mieszaninę poddaje się polimeryzacji, po której z utwardzonej struktury usuwa się wdrukowane cząsteczki. Powstaje w ten sposób konstrukcja polimerowa z lukami molekularnymi dopasowanymi do oryginalnych cząsteczek pod względem wielkości i kształtu, a nawet ich lokalnych właściwości chemicznych.
„Za pomocą wdrukowywania molekularnego potrafimy wytwarzać np. warstwy rozpoznające do czujników chemicznych, wychwytujące z otoczenia wyłącznie cząsteczki konkretnego związku chemicznego – bo tylko te cząsteczki wpasują się w istniejące luki molekularne. Nie ma jednak róży bez kolców. Wdrukowywanie molekularne doskonale sprawdza się w przypadku mniejszych cząsteczek chemicznych. Jednak im większa cząsteczka, tym trudniej ją dokładnie wdrukować w polimer” – tłumaczy prof. dr hab. Włodzimierz Kutner z IChF PAN.
Tymczasem cząsteczki kwasu deoksyrybonukleinowego, czyli DNA, są duże, rzędu centymetrów, i składają się na ogół z dwóch, długich, sparowanych ze sobą nici. Pojedyncza nić zbudowana jest z wielokrotnie powtarzających się nukleotydów – każdy z nich zawiera jedną z zasad nukleinowych: adeninę (A), guaninę (G), cytozynę (C) lub tyminę (T). Zasady te ułożone są w określonym porządku. Adeninie na jednej nici zawsze odpowiada tymina na drugiej, a guaninie – cytozyna. Gdy więc mamy jedną nić, zawsze możemy odtworzyć także drugą. Ta komplementarność zasad jest istotna, ponieważ zwiększa trwałość zapisu kodu genetycznego, a także pozwala przepisywać go z DNA na RNA w procesie znanym jako transkrypcja. Transkrypcja zaś to pierwszy etap na drodze do syntezy białek.
Wracając do dokonania naukowców z IChf PAN, ich pomysł polegał na tym, aby: – Spróbować wdrukować w polimer fragment pojedynczej nici DNA. Jednocześnie zależało nam, aby odwzorować nie tylko sam kształt nici, ale także kolejność tworzących ją zasad nukleinowych – mówi dr Agnieszka Pietrzyk-Le.
Badacze „użyli” fragmentu kodu genetycznego znanego jako TATAAA. Sekwencja ta pełni ważną rolę biologiczną, ponieważ współdecyduje o uaktywnieniu leżącego za nią genu. TATAAA występuje w większości komórek eukariotycznych – zawierających jądro komórkowe. U ludzi obecna jest w pobliżu co czwartego genu.
Kluczowy etap pracy badawczej polegał na takim zaprojektowaniu syntetycznych monomerów poddawanych polimeryzacji elektrochemicznej, by były one zdolne do dokładnego otoczenia wdrukowywanej cząsteczki w taki sposób, aby każdej tyminie i adeninie z nici DNA towarzyszyły komplementarne do nich zasady. Istotne także było, aby po spolimeryzowaniu matryca była trwała. Odpowiednie monomery zostały zsyntetyzowane przez grupę prof. D’Souzy z UNT.
– Gdy mamy już przygotowane wszystkie odczynniki i aparaturę, samo wdrukowywanie oligonukleotydu TATAAA nie jest specjalnie skomplikowane. Najważniejsze procesy przebiegają samoczynnie w roztworach, w ciągu nie więcej niż kilkudziesięciu minut. Ostatecznie na elektrodzie zastosowanej do elektropolimeryzacji otrzymujemy warstwę przewodzącego polimeru z lukami molekularnymi, w których zasady nukleinowe układają się w sekwencję TTTATA, a więc w dopełnienie usuniętego oryginału – opisuje doktorantka Katarzyna Bartold.
W IChF PAN przeprowadzono dokładne badania właściwości nowych polimerów oraz wykonano szereg eksperymentów, które potwierdziły ich oddziaływanie z różnymi zasadami nukleinowymi w roztworach. Wyniki nie pozostawiają wątpliwości: polimerowy negatyw DNA rzeczywiście jest chemicznie aktywny i selektywnie wiąże oligonukleotyd TATAAA, poprawnie odtwarzając kolejność zasad nukleinowych.
Te badania to ważny krok w dziedzinie genetyki syntetycznej. Daje możliwość łatwego i taniego wytwarzania polimerowych, trwałych odpowiedników fragmentów DNA i znajdzie zapewne zastosowanie w biotechnologii i medycynie molekularnej. Jeśli metodę opracowaną w IChF PAN uda się w przyszłości udoskonalić, w matrycach polimerowych będzie można odwzorowywać dłuższe fragmenty kodu genetycznego. Otwierają się inspirujące perspektywy, związane nie tylko z poznawaniem szczegółów procesu transkrypcji w komórkach czy budową chemosensorów do zastosowań w nanotechnologiach operujących na łańcuchach DNA, ale także z trwałym archiwizowaniem oraz replikowaniem kodu genetycznego różnych organizmów.
Badania polskich uczonych były finansowane z grantów Fundacji na rzecz Nauki Polskiej i Narodowego Centrum Nauki.
Jk
(źródło:IChF PAN)