Een kunstmatig uitgebreid DNA-alfabet heeft voor het eerst enzymen ontwikkeld. Het werk, dat twee synthetische bouwstenen toevoegde aan de gebruikelijke vier van DNA om een bibliotheek van moleculen te creëren, laat zien hoe dergelijke bibliotheken een grotere chemische diversiteit kunnen bieden dan standaard DNA voor het vinden van biomedisch relevante moleculen, en ook aanwijzingen kunnen geven over hoe het leven begon.
Omdat DNA meestal maar vier basen heeft – A, C, T en G – is de rijkdom aan mogelijke sequenties om moleculaire bibliotheken te bouwen beperkt, vooral met kortere oligonucleotidesequenties of oligo’s. Een oplossing is om functionele groepen toe te voegen aan natuurlijke nucleotiden om nieuwe moleculen te vinden. Maar een alternatieve benadering die de afgelopen twee decennia is ontstaan, is om het genetische alfabet uit te breiden tot meer dan vier basen met behulp van synthetische nucleotiden.
In de afgelopen jaren hebben onderzoekers aangetoond dat synthetische basen het genetische alfabet kunnen uitbreiden, mogelijk met maximaal 12 basen. Uitgebreide genetische alfabetten hadden tot nu toe echter alleen functioneel beperkte oligo’s of aptameren geproduceerd die zich aan een gewenst doelwit binden en niet katalyserend waren.
Nu een team onder leiding van Steven Benner en Elisa Biondi bij de Foundation for Applied Molecular Evolution in Florida heeft de prestaties vergeleken van een kunstmatig uitgebreid genetisch informatiesysteem (Aegis) – 20 jaar geleden ontwikkeld door Benner – tegen standaard DNA bij het ontwikkelen van een reservoir van ribonucleasen, enzymen die RNA afbreken. Tijdens het proces ontwikkelde Aegis een nieuw soort ribonuclease, een ‘Aegiszyme’ genaamd.
‘We moesten ongetwijfeld nog aantonen dat geëxpandeerd DNA beter presteert in vergelijking met standaard DNA, omdat we nog niet eerder een parallel experiment hadden gedaan’, zegt Biondi. ‘Nu hebben we het bewijs dat onze uitgebreide DNA-aanpak een solide basis heeft. De uitkomst [of a new catalyst] werd gehoopt, zo niet verrassend, noch verwacht.’
Aegis omvatte de standaard DNA-basen samen met twee extra basen, Z en P. Vervolgens werden afzonderlijke bibliotheken van 25 nucleotiden lang gebouwd voor zowel Aegis als gewoon DNA. De bibliotheken werden vervolgens onderworpen aan identieke en herhaalde ronden van selectieve druk voor ribonuclease-activiteit.
Het team ontdekte dat zelfs na 16 selectiecycli waarbij 25% van de mogelijke sequentiecombinaties werd onderzocht, de standaard DNA-bibliotheek geen ribonuclease-activiteit vertoonde. Omgekeerd onderzocht het Aegis-experiment slechts 0,0011% van de mogelijke sequentieruimte en onthulde verbeterde RNA-splitsingsactiviteit.
‘Hoewel het niet duidelijk is of deze eerste Aegiszymen beter presteren dan de huidige generatie DNAzymen en XNAzymen, is het zeker interessant dat ze kunnen worden geselecteerd uit relatief korte oligo-bibliotheken’, zegt synthetisch bioloog Alex Taylor aan de Universiteit van Cambridge, VK. ‘Voor een potentieel therapeutisch middel zou een kortere katalytische oligo nuttig zijn om een efficiënte chemische synthese mogelijk te maken en bijvoorbeeld een verbeterde weefselpenetratie of celopname te bieden.’
‘Het werk is van duidelijke praktische waarde omdat het laat zien hoe een uitgebreid genetisch alfabet kan helpen bij het ontdekken van aptameren met zeldzame eigenschappen’, zegt Floyd Romesbergwiens laboratorium bij Scripps Research in 2017 voor het eerst met succes niet-natuurlijk DNA in een bacterie inbracht. ‘Dit zou de mogelijkheid moeten openen om andere aptameren te ontdekken met unieke eigenschappen die moeilijk te ontdekken zijn gebleken.’
Het feit dat korte reeksen van een uitgebreid alfabet katalysatoren kunnen ontwikkelen, biedt ook inzicht in de oorsprong van het leven. ‘In prebiotische tijden, toen men dacht dat nucleïnezuren of protonucleïnezuren zowel genetische als katalytische functies vervulden, gebruikten de eerste evoluerende darwinistische systemen mogelijk een grotere verscheidenheid aan chemische groepen dan wat we nu zien in de moleculen van het leven. ,’ zegt Biondi. ‘Door dat te doen, waren ze misschien weggekomen met kortere polymeerlengtes, een voordeel zowel in termen van energieverbruik als beschikbaarheid van hulpbronnen.’
