יצור חי מלאכותי למחצה: מדענים יצרו את החיידק הראשון המתרגם צמד אותיות DNA מלאכותיות

אל שני הצמדים המוכרים בטבע – A-T ו-C-G מצטרף צמד חדש ה-d5SICS-dNaM  בחיידק אי קולי שהצליח לשכפל אותם היטב. באופן זה ניתן יהיה ליצור מוצרים ביולוגיים חדשים לחלוטין החל מתרופות ועד לננוטכנולוגיה

מדענים במכון המחקר סקריפט בקליפורניה הצליחו להנדס חיידק שהחומר הגנמי שלו מכיל צמד נוסף של אותיות DNA – בסיס שאינו קיים בטבע. תא החיידק יכול לשכפל את בסיס ה-DNA המלאכותי פחות או יותר באופן נורמלי, כל עוד מספקים לו את אבני הבניין המולקולרי.

החיים על כדור הארץ, למרות כל המגוון שלהם מקודדים באמצעות שני זוגות של בסיסי DNA: הזוג A-T ו-C-G וכעת יצרנו זוג שלישי לא טבעי” אמר פרופ’ פלויד רומסברג מאוניברסיטת TSRI שהוביל את המחקר.

“הדבר מראה כי פתרונות אחרים לאיחסון מידע גנטי אפשריים וכמובן, הדבר יאפשר לנו להתקדם לביולוגית DNA מורחב שיוכל לספק יישומים רבים- החל מתרופות ועד לסוגים חדשים של ננו טכנולוגיה.

הדיווח על ההישג התפרסם ב-7 במאי בפרסום מקוון מוקדם של כתב העת נייצ’ר.

רומסברג ועמיתיו מחפשים עוד מסוף שנות התשעים זוגות של מולקולות שיוכלו לשמש כבסיסי DNA חדשים – ובפרט, כאלו שיוכלו לקודד חלבונים ואף יצורים חיים שלא התקיימו מעולם.

המשימה לא היתה קלה. כל צמד של בסיסי DNA יידרש להצמד באופן תואם לבסיסים הטבעיים אדנין-תימין וציטוזין-גואנין. בסיסים חדשים אלה יידרשו להתייצב לצד הבסיסים הטבעיים בצמעין ריצ’רץ’ של DNA. הם יידרשו להפרד ולחזור ולהתחבר באופן חלק כאשר מופעלים עליהם אנזיצים פולימרזים במהלך שכתוב ה-DNA ושעתוקם ל-RNA. בדרך כלשהי, משעתקים אלה יצטרכו להתחק מתקיפה וסילוק בידי מנגנוני התיקון הטבעי של ה-DNA.

למרות האתגרים הללו, בשנת 2008 הודיעו רומסברג ועמיתיו כי התקדמו צעד חשוב לקראת המטרה. במחקר שפורסם אז הם זיהו סדרת מולוקלות גרעין שיכולים להתחבר לסליל הכפול של ה-DNA כמעט כמו זוגות הבסיסים הטבעיים והראו כי DNA המכיל צמד בסיסים לא טבעיים אלו יכולים להשתכפל בנוכחות האנזימים הנכונים. במחקר נוסף באותה שנה הראו החוקרים כי הצליחו למצוא אנזימים שמשעתקים את ה-DNA החצי סינתטי ל-RNA.

ואולם העבודה היתה פשטנית מדי והיא נעשתה במבחנה. “צמדי בסיסים לא טבעיים אלה עבדו יפה במבחנה אך האתגר היה לגרום להם לעבוד בסביבה המורכבת יותר של התא החי” אמר דניס מאלישב, חבר המעבדה של רומסברג, שהיה החוקר הראשי במחקר החדש.

מיקרו אצות הובילו לפריצת הדרך

במחקר החדש, סיתנזו אנשי הצוות רצועה של DNA מעגלי המכונה פלסימדות והחדירו אותו לתא של החיידק המפורסם E. coli. ה-DNA של הפלסמיד הכיל צמדי T-A ו-C-G טבעיים בצוותא עם צמדי הבסיסים הטובים ביותר שהצליחו להפיק במעבדה, המולקולות מוכרות בשם: d5SICS ו-dNaM. המטרה היתה לשכנע את תאי ה-E. coliלשכפל את ה-DNA הסינתטי למחצה באורח נורמלי ככל האפשר.

המחסום הגדול ביותר עשוי היה בהבטחה לאלו החוששים משחרור בלתי מבוקר של צורת חיים חדשה – שני אבני הבניין אינם קיימים באופן טבעי ולכן כדי לשכנע את ה-E. coli לשכפל את ה-DNA המכיל אותם, סיפקו החוקרים את אבני הבניין המולקולוריות (המכונות triphosphates ) באופן מלאכותי באמצעות הוספתם לתמיסה הנוזלית מחוץ לתא. לאחר מכן, כדי להחדיר אותם לתאים הם נדרשו למולקולות העברה מיוחדות ל-triphosphate שיעשו את העבודה.

החוקרים הצליחו למצוא מעביר כזה, מולקולה הנמצאת במין של מיקרו אצות, שהיה מספיק טוב לבצע את ההחדרה הזו. “זו היתה פריצת הדרך הגדולה שלנו – שאיפשרה את בניית החיידק עם הבסיסים הנוספים.

עוד בנושא באתר הידען:

חיידק מהונדס בעל DNA סינתטי

רק 12% מהחומר הגנטי בחיידקים חיוני לחיים

אף כי השלמת הפרויקט ארכה עוד שנה, לא התגלו עוד מכשולים. חברי הצוות גילו במידה מסוימת של הפתעה כי הפלסמיד החצי סינתטי השתכפל במהירות ובדיוק סבירים, ולא הפריע לגדילת תאי החיידק ולא הראה כל סימנים של אובדן צמדי הבסיסים הלא טבעיים בידי מנגנוני תיקון ה-DNA.

כעת עצרנו את זרימת אבני הבניין המלאכותים (triphosphate) , קצב תחלופת ה-d5SICS-dNaM ביחד עם צמדי הבסיסים הטבעיים התאימו היטב למנגנון השכפול של התא עצמו – ולא נראה שגורם כלשהו ‘גירש’ את הצמד החדש” אמר מאלישב. “חשוב להעיר כי שתי פריצות הדרך גם מספקות בקרה על המערכת. הבסיסים החדשים שלנו יכולים להכנס לתא רק אם אנו מדליקים את חלבון שינוע החלבונים. בלא החלבון הזה או כאשר הבסיסים החדשים אינם מסופקים, התא יחזור ל-A,T,C,G ואילו d5SICS ו- dNaM יעלמו מהגנום.

הצעד הבא יהיה להדגים כי השיעתוק בתוך התא של אותיות אלף בית של הDND ל-RNA שיכול להזין מנגנון יוצר חלבונים בתא. “בעיקרון, אנו יכולים לקודד חלבונים העשויים מחומצות אמינו חדשות ומלאכותיות – דבר שיתן לנו כוח רב יותר מאשר אי פעם לתפור חלבונים למטרות ריפוי ואיבחון וכן להשתמש בהם במעבדה להשגתתכונות חדשות” אמר רומסברג. “יישומים נוספים כגון ננו חומרים, אפשריים אף הם”.

המחקר מומן בחלקו בידי המכונים הלאומיים לבריאות בארה”ב.

לידיעה באתר מכון המחקר סקריפטס