Unii viruși care ucid bacteriile își explică instrucțiunile genetice într-un alt alfabet ADN.
Cu mai bine de 40 de ani în urmă, oamenii de știință din Rusia au raportat că un tip de bacteriofag numit cianofag S-2L înlocuiește blocul de construcție a ADN-ului adenina, cunoscută în mod obișnuit ca A, cu 2-aminoadenină, denumită Z. Dar nimeni nu știa cum a trecut fagul de la A. la Z, sau de ce.
După decenii de întrebări, două grupuri independente de oameni de știință au descoperit cum virușii creează și construiesc Z în instrucțiunile lor genetice și un motiv pentru care o fac, echipele raportează în trei studii din 30 aprilie. Ştiinţă.
Descoperirile au implicații pentru originile vieții pe Pământ, căutarea vieții pe alte planete și multiple aplicații potențiale în biomedicină, biologie sintetică, științe materiale și calcul, spune Farren Isaacs, biolog molecular și sintetic la Universitatea Yale, care a fost coautor al unui comentariu. în aceeași ediție a Ştiinţă. „Este o descoperire cu adevărat fundamentală.”
În anii 1990, Philippe Marlière, un xenobiolog pe atunci la Institutul Pasteur din Paris, „căuta exemple diferite de viața așa cum o cunoaștem”, când a dat peste studiul rus din 1977 care descrie cianofagul cu ADN-ul neobișnuit. După ce au obținut o mostră a virusului, Marlière și colegii au descifrat setul complet de instrucțiuni genetice ale fagului, sau genomul.
În genomul virusului, cercetătorii au găsit instrucțiuni pentru construirea unei enzime, numită PurZ, care ar putea efectua primul pas în producerea Z – cunoscută și sub numele de diaminopurină. Institutul Pasteur a depus un brevet asupra enzimei pe numele lui Marlière în 2003.
Cu enzima în mână, „a devenit clar cum a fost făcut Z, dar noi nu am făcut-o [do] orice experiment pentru a demonstra că am avut dreptate”, spune Marlière, acum președinte al Sindicatului European al Oamenilor de Știință și Industriașilor Sintetici din Berlin. Proiectul a fost oprit din mai multe motive.
Cercetătorii nu și-au publicat descoperirile până acum, în parte, pentru că PurZ nu era enzima pe care Marlière o căuta. În schimb, el spune că sperase să găsească o enzimă diferită, o polimerază care să respingă adenina și să construiască ADN-ul cu Z în locul ei. „Am fost foarte, foarte dezamăgit”, spune el, „pentru că polimeraza de care îmi doream nu a putut fi detectată în acel fag”.
Într-adevăr, polimeraza acestui fag nu este ceea ce căuta el. Colaboratorul lui Marlière Pierre Alexandre Kaminski și colegii săi au descoperit că polimeraza cianofagului S-2L nu este pretențioasă în ceea ce privește utilizarea A sau Z. În schimb, o altă enzimă virală numită DatZ degradează blocurile de construcție a adeninei, lăsând polimerazei fără altă opțiune decât să folosească Z, Kaminski, un biochimist. la Institutul Pasteur, iar colegii raportează 23 aprilie în Comunicarea naturii.
Periodic, Marlière a căutat în bazele de date genetice alți fagi care au PurZ și ar putea conține polimeraza evazivă pretențioasă. Apoi, în urmă cu aproximativ patru ani, el spune: „Am obținut rezultate. Ding, ding, ding! Și nu am primit doar unul. Am primit 12. Și bingo, chiar lângă această genă PurZ era, ghici ce, o genă a polimerazei. Aha!”
The Siphoviridae bacteriofagii care infectează o mare varietate de bacterii au toți versiuni ale polimerazei, numite DpoZ, care inserează de preferință Z în loc de A în ADN-ul virușilor, raportează cercetătorii. Marlière a depus un brevet asupra enzimei.
Cum diferă legătura Z-T a ADN-ului de legătura A-T mai standard
Adenina standard a ADN-ului, cunoscută sub numele de A (stânga), se leagă de partenerul său timina, cunoscută sub numele de T (dreapta), prin două legături de hidrogen (portocaliu).
Baza 2-aminoadenina, numită și Z (stânga), are încă o grupare amino (NH2, roșu) decât adenina. Această adăugare îi permite lui Z să formeze o legătură suplimentară de hidrogen (portocalie) cu timină, ceea ce face împerecherea ZT mai stabilă decât perechile AT.
Alfabetul alternativ poate fi folosit mult mai pe scară largă decât se credea anterior, spune Huimin Zhao, biolog sintetic la Universitatea din Illinois din Urbana-Champaign. El a auzit pentru prima dată despre bacteriofagul care folosește ADN care conține Z la o cină în urmă cu câțiva ani, își amintește el. Neștiind că oamenii de știință francezi încă lucrau la puzzle, el a căutat și în baze de date și a găsit 60 de bacteriofagi care conțin PurZ, inclusiv fagi din ambele Siphoviridae și Podoviridae familii. Echipa sa a elaborat, de asemenea, calea biochimică pe care fagii o folosesc pentru a produce și încorpora Z și a găsit enzime care degradează A.
De la astronomie la zoologie
Abonați-vă la Știri Științe pentru a vă satisface apetitul omnivor pentru cunoașterea universală.
Doar pentru că fagii au enzimele, ei nu folosesc neapărat Z în ADN-ul lor. Deci, Zhao și colegii din China au ales un fag numit SH-Ab 15497 care infectează Acinetobacter bacterii și a confirmat că alfabetul său ADN are și Z în loc de A, informează echipa sa.
Înlocuirea Ca cu Zs
De ce s-ar deranja fagii cu ADN-ul neconvențional era încă necunoscut. O ipoteză este că înlocuirea lui A cu Z este o contramăsură împotriva enzimelor de apărare bacteriene, cunoscute sub numele de enzime de restricție, care rup ADN-ul din fagii invadatori. Astfel de enzime recunosc cu greu și taie ADN-ul care conține baze Z, au descoperit Zhao și colegii. „Fagul încearcă să evite să fie distrus de gazdă”, spune el. „Acesta este într-adevăr un mecanism de protecție pentru fag.”
De asemenea, face parte dintr-o cursă a înarmărilor fără sfârșit între fagi și bacterii, spune Steven Benner, chimist și astrobiolog la Fundația pentru Evoluția Moleculară Aplicată din Alachua, Florida. Este posibil ca și alți fagi care folosesc Z sau alte baze alternative de ADN. fii acolo. „Am trecut cu vederea această formă de viață de pe Pământ, deoarece instrumentele noastre moleculare nu ne-au permis să o căutăm”, spune el. „Ceea ce au făcut acești tipi a fost să descopere o întreagă biosferă care lipsea din inventarul nostru.”
Este discutabil dacă fagii care conțin Z sunt noi forme de viață (ca să nu mai vorbim de dezbaterea în curs despre faptul că virușii sunt vii), spune Floyd Romesberg, un biolog sintetic la sediul companiei globale de farmaceutice și biotehnologie Sanofi din La Jolla, California. deschide noi posibilități, spune el, pentru ceea ce viața este, a fost și ar putea deveni.
„Viața nu este exact ceea ce credeam noi că este. Viața nu trebuie să fie GTAC”, spune el, referindu-se la cele patru litere ale alfabetului ADN standard. „Ceea ce spune este că viața poate fi mai diversă.”
Această realizare ar putea influența căutarea vieții pe alte planete (SN: 18/04/16). Oamenii de știință presupun adesea că ar trebui să caute guanină, timină, adenină și citozină, bazele ADN-ului așa cum l-am cunoscut până acum. Dar poate că cercetătorii ar trebui să caute în schimb 2-aminoadenină, baza Z, spune Benner.
La urma urmei, Z formează trei legături de hidrogen cu timina, în loc de cele două legături de hidrogen care țin împreună perechile de baze A-T. Acest lucru face ca ADN-ul împerecheat Z-T să fie mai stabil și potențial capabil să reziste la condiții mai calde sau mai dure decât poate ADN-ul convențional, spune el.
Cu o stabilitate suplimentară, s-ar putea întreba de ce toate organismele de pe Pământ nu folosesc Z. Stabilitatea nu este totul, spune Romesberg. ADN-ul trebuie derulat și despărțit pentru a fi copiat. Acest lucru poate fi mai greu de făcut cu perechile de baze Z-T. Z schimbă, de asemenea, modul în care ADN-ul se curbează și se îndoaie, poate făcând mai dificilă împachetarea în spații înguste așa cum poate materialul genetic care conține A. Acest lucru ar putea face A mai atractiv pentru alte organisme.
Sau poate a fost doar un accident că A a fost primul. Odată ce celulele au început să folosească acea bază, prea multe lucruri ar trebui să se schimbe pentru a trece complet la o altă bază, spune Romesberg, care lucrează de ani de zile pentru ca bacteriile să încorporeze baze ADN exotice (SN: 5/7/14).
Celulele se schimbă cu greu, deoarece există atât de multe părți diferite care ar trebui schimbate pentru a găzdui o nouă bază de ADN. Genomul mic al virușilor este mai flexibil, spune Romesberg: Ei transportă mai puține mașini, deoarece o fac pe gazdă să facă cea mai mare parte a muncii. Chiar și fagul Z fac doar primul pas în a face Z și se bazează pe mai multe enzime gazdă pentru a termina rețeta. Încă nu se știe dacă organismele celulare pot scrie Z și în ADN-ul lor.