De bRNA-translatie in het ribosoom (afb: WikiMedia Commons)

Hoewel de diversiteit van het leven een aanzienlijk variëteit kent komen de genetische basisregels van al die verschillende vormen overeen. DNA bestaat uit vier ‘letters’ (nucleotiden), drie van die ‘letters’ coderen voor een van de twintig aminozuren die de natuur gebruikt en met die aminozuren aaneengeschakeld vorm je eiwitten die het leven leven geven. Al langer denken wetenschappers dat dat ‘beter’ moet kunnen met meer ‘letters’ om andere dan natuurlijke eiwitten te maken en andere processen te verwezenlijken. Dat kan, maar maakt de zaak er niet eenvoudiger op, zo ontdekten onderzoeksters van het MIT en de Yale-universiteit.Je kunt cellen maken met een onnatuurlijk DNA die eiwitten produceren die in de natuur niet voorkomen, maar het probleem is dat je daarmee de zaken een stuk ingewikkelder maakt en ook minder effectief. De natuur is niet geheel toevallig op het huidige genetische systeem uitgekomen, zou je kunnen zeggen met een drietal DNA-letters die coderen voor een van de slechts twintig aminozuren waaruit natuurlijke eiwitten bestaan.
De drie letters die coderen voor een aminozuur heet een triplet of codon. Daarmee heb je 64 manieren om een aminozuur ‘aan te wijzen’ (er zijn verschillende codons die voor hetzelfde aminozuur coderen), met een vierletter codon heb je er 256. Dat zou voor het leven voordelig kunnen zijn en daarmee ben je niet gebonden aan die twintig aminozuren.

Je kunt je natuurlijk afvragen of leven alleen mogelijk is met de middelen en principes die nu het fundament uitmaken van levende organismen op aarde, maar ‘ons’ systeem is niet te ingewikkeld en niet te beperkend, maar net goed genoeg en dat al miljarden jaren achter elkaar. Francis Crick, een van de ‘ontdekkers’ van de dubbele-helixstructuur van DNA, noemde het leven op aarde een ‘bevroren ongeluk’. Volgens de onderzoeksters van MIT en Yale is het tot de huidige code gekomen vanwege zijn eenvoud en toereikendheid, niet doordat er niets ingewikkelders en ‘geavanceerders’ mogelijk was.

Onderzoekers hebben wel eens quadrupletten (vierlettercodons) gemaakt en een heel enkele keer zijn die ook in de natuur waargenomen, maar tot nu toe heeft niemand het voor elkaar gekregen om een genetisch systeem te maken dat geheel uit quadrupletten bestaat om te kijken hoe zich dat verhoudt met een tripletcodering.

Quadruplet

In deze studie zou de vraag of dat mogelijk is expliciet gesteld zijn, zegt synthetisch biologe Erika Alden DeBenedictis, tijdens het onderzoek verbonden aan het MIT maar inmiddels verkast naar de universiteit van Washington.
Om die vierlettercodons te testen moesten zij en haar medeonderzoeksters de fundamentele biochemie op zijn kop zetten. Normaal wordt een stuk DNA gekopieerd op een RNA-molecuul (boodschapper-RNA), dat vervolgens wordt afgelezen in het ribosoom en de eiwitten worden gevormd op basis van die code daarbij geholpen door transfer-RNA dat voor de aanvoer van de aminozuren zorgt. Nadat bRNA zijn werk gedaan heeft wordt het molecuul afgebroken en wordt tRNA weer geladen met aminozuren met behulp van bepaalde enzymen (synthetases).
De onderzoeksters veranderden tRNA’s van E. coli-bacteriën zodat ze vierlettercodons accepteerden. Ze veranderden het een en ander aan het DNA van de bacterie en bekeken vervolgens of het werkte met die quadrupletten en zo ja welke gevolgen dat heeft. Ze zagen dat die tRNA’s inderdaad bonden aan die vierlettercodons, dus daar lag het probleem niet. Het was mogelijk.

Het vervelende was alleen dat de synthetases slechts negen van de twintig quadrupletanticodons op tRNA herkenden. DeBenedictine: “Dat is zowel veel als een beetje. Het is veel voor iets dat de natuur niet nodig heeft gehad om te werken, maar het is weinig aangezien je elf essentiële eiwitten niet kan ‘vertalen’ waarmee de chemische ‘woordenschat’ moet werken.”
Erger nog: die vertalingen (translaties) bleken erg ondoelmatig en soms hinderden ze de celgroei. Als zo’n ‘uitgebreid’ genetisch gereedschap geen voordelen heeft dat is het onwaarschijnlijk dat de natuur daar voor ‘gekozen’ zou hebben, zegt de onderzoekster. Het is niet zozeer onmogelijk, constateerden de onderzoeksters dan ook, maar zo’n triplet voldoet en is eenvoudig. Als we de synthetisch biologen de mogelijkheden van leven willen uitbreiden, dan hebben ze nog genoeg ruimte in die 64 combinaties van drie DNA-letters.

Leven elders

Je kunt natuurlijk altijd speculeren of dat ook zo is bij het leven dat elders in het heelal bestaat (zou kunnen bestaan). Het zou goed kunnen dat leven elders aan andere eisen heeft moeten voldoen waardoor het ingewikkelder in elkaar steekt, denkt Drew Endy, die niet aan het onderzoek heeft deelgenomen. Endy laat zich niet ontmoedigen door de resultaten van de onderzoeksters maar juist inspireren (het kan wel) en blijft op zoek naar de uitbreidingsmogelijkheden van een systeem dat we leven hebben genoemd.

Het is volgens DeBenedictis een onbeantwoorde vraag hoe je een quadrupletcode moet laten werken. Waarschijnlijk moet je dan ook de translatie zelf veranderen. Misschien helpt het door aan tRNA’s een extra staart te geven die wisselwerkt met de ribosomen om alleen met die quadruplet-tRNA’s samen te werken. Dat zou de efficiëntie van de translatie kunnen verhogen door de concurrentie met de triplettranslatie te onderdrukken. Of dat wat beters oplevert is nog maar zeer de vraag aangezien de drielettercodons zo goed werken, stelt de synbiologe.

Bron: Quanta Magazine