Zaprojektuj sobie dziecko - narodziny syntetycznej genetyki

Każdy organizm skrywa we wnętrzu szczegóły swojej budowy i mechanizmów funkcjonowania. To kwasy nukleinowe stanowią podstawę ogromnej różnorodności życia na Ziemi. DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy) wygląda jak skręcona drabina. Jej boki to łańcuchy cukru zwanego dezoksyrybozą, które połączone są grupami fosforanowymi. Każdy cukier połączony jest z jedną z czterech zasad azotowych, będących podstawami konstrukcji - tworzą one szczeble drabiny i oznaczone są literami A, C, T i G. Kwas rybonukleinowy (RNA) jest podobny, jednak posiada trzy znaczące wyjątki. Jest to zazwyczaj połowa drabiny - pojedyncza helisa, a nie jak w przypadku DNA, podwójna. W jego szczeblach tymina (T) jest zastąpiona przez uracyl (U), natomiast cukrem nie jest dezoksyryboza, a ryboza.

Mimo że według obowiązującego stanu wiedzy w przyrodzie występują tylko dwa wymienione warianty, warunki laboratoryjne to zupełnie inna rzeczywistość. Naukowcom udało się stworzyć aż sześć alternatywnych typów kwasów nukleinowych, które także potrafią przechowywać informacje genetyczne oraz ewoluować dzięki selekcji naturalnej. Mowa o XNA, czyli kwasach ksenonukleinowych, stanowiących podwaliny pod dynamicznie rozwijającą się gałąź nauki - genetykę syntetyczną.

Patrząc na ostatnie osiągnięcia nauki, można by stwierdzić, że DNA jest passe. Cząsteczki zwane XNA nie ustępują możliwościami DNA i RNA, a w pewnych aspektach nawet je przewyższają. Kwasy ksenonukleinowe (xeno = obcy) strukturalnie przypominają powszechnie występujące w przyrodzie kwasy nukleinowe, ale zsyntetyzowanie ich w warunkach laboratoryjnych zajęło naukowcom aż 30 lat.

- Trudno wyobrazić sobie życie bez systemu przechowywania i powielania informacji genetycznej. DNA i RNA nie są jedynymi opcjami. Inne polimery, a jest ich co najmniej sześć, mogą pełnić te same funkcje - powiedział Philipp Holliger z Medical Research Council's Laboratory of Molecular Biology w Cambridge, jeden z pionierów badań nad syntetyczną genetyką.

Przepis na XNA nie jest wcale prosty. Holliger i jego zespół nie podmienili po prostu cukrów w szkielecie DNA, ale zastąpili je całkiem innymi cząsteczkami - cykloheksanem i treozą. Co równie istotne, uzyskano dzięki temu enzymy, które współpracując z XNA tworzą samowystarczalny system genetyczny. Sprawia to, że XNA jest zdolne do ewolucji molekularnej, czyli czegoś, co jest niedostępne dla innych syntetycznych kwasów nukleinowych.

Kluczem do stworzenia XNA była modyfikacja enzymu zwanego polimerazą DNA, który występuje naturalnie we wszystkich organizmach żywych. Enzym ten wycina, wkleja i łączy fragmenty nici DNA w celu uzyskania z nich informacji genetycznej. Bez polimerazy DNA determinująca nasze istnienie podwójna helisa byłaby jak samochód bez paliwa. Gadżet z potencjałem, ale kompletnie niefunkcjonalny.

Holligerowi udało się przeprogramować polimerazy DNA w taki sposób, aby przepisywały DNA na XNA i odwrotnie, z dokładnością co najmniej 95 proc. Tym sposobem powstał zapętlony mechanizm przekazywania informacji genetycznej, który jest podstawą ewolucji na każdym poziomie organizacji życia. Jeżeli naukowcom uda się zwiększyć funkcjonalność XNA, z czasem będzie można zastąpić nim DNA i RNA w żywych komórkach. W efekcie doprowadzi to do eksplozji inżynierii genetycznej na niespotykanym dotąd poziomie.

Mimo że XNA powstał na matrycy DNA, pod wieloma względami różni się od swojego kuzyna. Te cechy sprawiają, że kwasy ksenonukleinowe mogą stanowić doskonałą alternatywę dla biologicznie cennych, ale też kruchych i podatnych na czynniki zewnętrze, naturalnie występujących kwasów nukleinowych.

W odróżnieniu od DNA i RNA, które z łatwością mogą być degradowane przez liczne enzymy, XNA jest bardzo trwały. "Nienaturalna" struktura molekuły czyni ją niewrażliwą na działanie enzymów, ekstremalne wartości pH czy substancji wywołujących mutacje. Naukowcy zastanawiali się nawet nad wykorzystaniem XNA do budowy tworów zwanych aptamerami. Są to krótkie fragmenty kwasu nukleinowego, które wiążą się specyficznie z określoną cząsteczką i mogą tym samym być wykorzystywane jako wektory leków lub przełączniki genów. Aptamery oparte na XNA byłyby znacznie twardsze, a jednocześnie mogłyby ewoluować by rozpoznawać konkretne cele. Medycyna wiąże ogromne nadzieje z terapeutycznym zastosowaniem aptamerów XNA.

Tym, co najbardziej intryguje naukowców w kontekście medycznego wykorzystania XNA jest tworzenie sztucznego życia. Kwestia ta budzi niemałe wątpliwości moralne, jednak teoretycznie możliwe jest stworzenie żywego organizmu opartego na syntetycznym kwasie nukleinowym. XNA z powodzeniem może zostać wprowadzone do protokomórek - zalążków nowych form życia - które rozwijałyby się w losowy i niekontrolowany sposób. Biolodzy-syntetycy, tacy jak Craig Venter, w ostatnich latach dokonali znaczących postępów w modyfikowaniu istniejącego kodu genetycznego, nikt jednak (przynajmniej oficjalnie) nie stworzył w pełni sztucznego życia.

Przeciwnicy rozwoju syntetycznej genetyki ostrzegają, że projektowanie organizmów opartych na XNA, to daleko idąca "zabawa w Boga". Niektórzy z nich wręcz drżą na myśl o przyszłości, w której dzieci się nie rodzi, a projektuje w laboratoriach - tak, by dostać "produkt" w pełni odpowiadający oczekiwaniom odbiorcy.

Wszczepianie XNA do żywych komórek, tworzy jednocześnie silną konkurencję dla istniejących już genów. Biorąc pod uwagę fakt, że XNA jest wyjątkowo trwały, eliminacja tego typu substancji z żywego organizmu mogłaby okazać się niemożliwa.

- Biolodzy zaczynają igrać ze światem genetyki alternatywnej. Stosując coraz częściej syntetyczne kwasy nukleinowe, sprzyjamy sytuacji, w której wzrasta odporność XNA w stosunku do DNA lub RNA. Może to prowadzić do pełnej zamiany naturalnego kwasu nukleinowego, na ten sztuczny. Kim wtedy się staniemy? - poddał w wątpliwość nieprzemyślane zastosowanie XNA w genetyce George Church z Harvardu.

Odkrycie XNA może mieć ogromne znaczenie dla astrobiologii. Naukowcy przypuszczają, że na planetach pozasłonecznych mogło rozwinąć się życie oparte na zupełnie innej chemii. Coś, co dla nas jest uznawane za twór sztuczny, w dalekich zakamarkach wszechświata może być normą.

Na Ziemi wszystkie znane nam formy życia wykorzystują DNA lub RNA do funkcjonowania oraz przekazywania genów przyszłym pokoleniom. Słynny astrobiolog z Harvardu, Jack Szostak przekonuje, że pytanie "co to jest życie" jest teoretycznie bezproduktywne dla biologii jako nauki. Według niego bardziej precyzyjne jest znalezienie przyczyn przejścia ze stadium czysto chemicznego do formy biologicznej.

Wiadomo, że życie "wyłoniło" się w trakcie skończonego procesu replikacji komórek, który jest podstawą dla potencjalnie nieskończonej ilości organizmów żywych. Oznacza to, że jeżeli na Ziemi z procesów chemicznych powstały formy życia oparte na DNA i RNA, to na innej planecie równie dobrze mogły rozwinąć się organizmy wykorzystujące inne kwasy nukleinowe. Odmienne warunki środowiskowe mogły ukształtować inną chemię życia, choćby opartą na XNA.

- Wyniki prac nad XNA wieszczą nadejście nowej ery syntetycznej genetyki, przekładającą się też na egzobiologię i zrozumienie zasad życia - powiedział Gerald Joyce ze Scripps Research Institute.

Tworząc nowe, syntetyczne formy życia na Ziemi naukowcom może udać się rozwiązać zagadkę życia we wszechświecie per se. A wtedy gwiazdy na nocnym niebie nie będą wydawały nam się tak odległe.

Stworzenie XNA i rozwój syntetycznej genetyki dają podstawę do zakrojonych na szeroką skalę manipulacji wewnątrz naszych organizmów. Wykorzystanie syntetycznych kwasów nukleinowych może okazać się bezcenne w przypadku leczenia niektórych chorób lub dystrybucji leków, ale rodzi również poważne wątpliwości natury etycznej. Opracowanie sztucznej "cząsteczki życia", za jaką jest uważane DNA, może okazać się pierwszym krokiem w kierunku projektowania lepszych, pozbawionych losowych niedoskonałości, ludzi.