211service.com
X markerar platsen för Jumbo DNA
Den heta handlingen inom många teknikområden kretsar kring hur man gör saker mindre och mindre. Mot denna trend har forskare vid Stanford University syntetiserat en artificiell DNA-sträng med molekyler som är cirka 15 procent större än den naturliga sorten. Detta så kallade xDNA har egenskaper som saknar det ynka DNA som naturen kokar ihop. Det är mer stabilt till exempel. Den lyser även under ultraviolett ljus. Dessa egenskaper tyder på att xDNA kan vara användbart i genetiska diagnostiska procedurer och, potentiellt, artificiella livsformer. Vårt största intresse är om vi kan designa vårt eget genetiska system, säger kemiprofessor Eric Kool, som lett forskargruppen Stanford. Jag tror att vi är på god väg.
Det som skiljer xDNA från vanligt DNA är dess struktur. Normalt är DNA en sträng av nukleotider, som var och en omfattar ett socker, ett fosfat och en bas: antingen adenin, tymin, guanin eller cytosin (representerade i DNA-beskrivningar som A, T, G och C). När DNA-strängar binder med varandra matchar baserna på ett speciellt sätt: adenin binder alltid med tymin och guanin med cytosin.
För ungefär trettio år sedan hittade Nelson Leonard, då kemist vid University of Illinois och nu vid California Institute of Technology, ett sätt att sträcka ut adenin så att det skulle fluorescera när det exponerades för ultraviolett ljus. Vad Leonard inte kunde göra var att fästa sockret och fosfatet till basen och skapa en komplett nukleotid; forskare vid den tiden visste inte hur man gör DNA, men nu används processen att skapa konstgjorda strängar ofta i genetisk medicinsk diagnostik.
Vad Kool sökte var ett sätt att göra en DNA-dubbelhelix. Först syntetiserade han två expanderade baser: adenin och tymin (xA och xT). Han gjorde sedan nukleotider av xA- och xT-baserna med lämpliga sockerarter och fosfater. Genom att para ihop en xA med ett normalt T och ett xT med ett normalt A kunde Kool sätta ihop dem till en dubbelspiral precis bred nog för att innehålla de sträckta baserna.
Att bygga nukleotiderna tog fyra års arbete. Kool började med att designa strukturen för de sträckta baserna och gick sedan över till syntes, vilket krävde att man hittade lämpliga former av sockerarter och fosfater. Vi gjorde kemisk reaktion efter kemisk reaktion efter kemisk reaktion, säger Kool. Rening av resultaten kan ta dagar, eller till och med veckor. Och eftersom en sådan syntes inte hade gjorts tidigare, fanns det många återvändsgränder.
När forskarna väl hade syntetiserat stabila, superstora nukleotider, använde de kommersiellt tillgänglig utrustning för att länka ihop dem till DNA-sekvenser. Naturligt DNA behöver cirka 10,5 parade nukleotidsteg för att göra en hel rotation i dubbelhelixen. De förstorade baserna ökar diametern på helixen, som behöver fler sådana steg som ett resultat. Eftersom den är större erbjuder molekylstrukturen ökad stabilitet; medan naturligt DNA i Kools labb föll isär vid 21C, förblev xDNA intakt upp till 56C. Kools forskning visar att den dubbla spiralformade strukturen av [naturligt] DNA inte behöver vara den enda, säger Danith Ly, biträdande kemiprofessor vid Carnegie Mellon University och expert på att utveckla kemiska verktyg för att studera genomik och proteomik.
Kools ultimata strävan efter ett skräddarsytt genetiskt system är en stor ordning – och det är inte en att skynda på, säger Ly: För att en biologisk funktion ska existera oberoende av någonting behöver den proteiner, lipider, enzymer – allt möjligt. För oss att göra det under de närmaste hundra åren kan det vara möjligt, men det skulle vara svårt. Och innan dess måste Kool skapa utökade versioner av G- och C-baserna, som sannolikt kommer att vara jämförbara i svårighetsgrad med hans arbete på xA och xT.
Bortsett från science fiction-scenarier av designergener, tror Kool att xDNA har praktiska konsekvenser i diagnostik - särskilt för att förbättra de befintliga medicinska procedurerna som upptäcker hälsotillstånd baserat på strukturen av en persons DNA. Kliniker som letar efter särskilt DNA eller RNA hos en person tar ett vävnadsprov och introducerar en artificiell DNA-sträng som binder till det materialet. Tekniker som tvättar bort allt utom bundna par som innehåller det artificiella DNA:t gör det möjligt för laboratorier att lätt söka efter det som finns kvar. Om det inte binder ordentligt vet du att det antingen är en mutation eller det [sökta] DNA:t inte finns där, säger Paul Billings, vicepresident och nationell chef för genetik och genomik vid Laboratory Corporation of America, ett diagnostiktestningsföretag i Burlington, NC.
Eftersom xDNA binder starkare än vanligt DNA, skulle det vara mer motståndskraftigt i denna testprocess. Dessutom kan dess naturliga fluorescens fungera som en ledstjärna, vilket gör upptäckten lättare. Även efter att tekniken var mer än en labbkuriosa, skulle dess diagnostiska användbarhet dock behöva demonstreras i fält. Först och främst måste man bevisa att det tar sig in i cellerna och beter sig på andra sätt som annat DNA, säger Billings. För det andra måste du bevisa att det är bättre än andra metoder. Det finns väletablerade metoder som fungerar nu, och inga bevis ännu för att de bindande och fluorescerande egenskaperna hos xDNA skulle vara en klar förbättring.
Dessutom skulle de fluorescerande egenskaperna hos xDNA sannolikt behöva justeras, säger Ly. Enligt uppsatsen från Kools team lyste molekylen upp när den blev upplyst av ultraviolett ljus med en våglängd på cirka 390 nanometer. Vävnader absorberas inte särskilt bra vid dessa våglängder, konstaterar Ly, vilket tyder på att basen för diagnostik måste justeras för att svara på ljus som var närmare den röda änden av spektrumet. Men enligt Kool skulle detta inte nödvändigtvis utgöra ett betydande problem vid undersökningar av tillräckligt tunna vävnadsskivor. Faktum är att xDNA-nukleotider till och med kan ändra sin fluorescerande färg eller intensitet när de binds till naturligt DNA eller RNA - ett fenomen som skulle lägga till fler möjliga verktyg till diagnostiksatsen. Kalla det ett stort ljus för medicinsk personal.