Badania

Jedyna taka „nić”

Opublikowano: 2017-01-27

forum akademickie

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)


PARTNERZY

forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie