Vreemde letters voor DNA
Het leven heeft maar een bescheiden gebruik gemaakt van de talloze mogelijkheden die de organische wereld biedt. Al onze eiwitten zijn opgebouwd uit slechts 20 verschillende aminozuren en het genoom is opgebouwd uit slechts vier verschillende gepaarde nucleotiden, aangeduid (naar de base) met C, G, A en T. Al lang is de gedachte dat die karigheid uitbreiding behoeft en er wordt al jaren onderzoek gedaan naar ‘vreemde letters’ voor ons levensalfabet. Volgens de Amerikaanse organisch chemicus Steven Benner, die daar al 30 jaar mee bezig is, is er veel mis met het DNA-molecuul. Dat onderzoek lijkt nu zijn vruchten af te werpen. Twee kunstmatige nucleotiden P en Z blijken naadloos in de wenteltrapstructuur van DNA te passen en ze blijken zich te kunnen ontwikkelen via evolutionaire lijnen. Net echt dus, maar wat dan? Een leven zonder eiwitten?
De vraag natuurlijk was altijd: is dit DNA het optimale of slechts ontstaan bij toeval? Zou een verrijking van het DNA-alfabet ook een verrijking van het leven betekenen? De eerste pogingen van Benner gingen de mist in, maar ook van fouten valt te leren (of juist). Dat ging traag. Nu, decennia later hebben Benner en zijn medeonderzoekers kunstmatig DNA gefabriceerd dat zich gedraagt als gewoon DNA. P en Z schijnen zich in evolutionair opzicht beter te ‘gedragen’ dan de natuurlijke nucleotiden. ‘Uitgedaagd’ om zich te binden aan kankercellen, bleken stukken DNA met P en Z het beter te doen dan die zonder. Wat wil Benner? Op de eerste plaats kijken wat die uitbreiding teweegbrengt. Hij wil, bijvoorbeeld, een alternatief genetisch systeem ontwikkelen, waarin geen plaats is voor eiwitten.
De eerste functie van DNA is het opslaan van informatie. Het natuurlijke DNA codeert voor 20 aminozuren, de bouwstenen voor eiwitten. Zes letters zouden kunnen coderen voor 216 aminozuren en, dus ook, voor vele eiwitten meer dan er nu al mogelijk zijn (vele duizenden). Zou het kunnen zijn dat je met meer ‘letters’ een kwetsbaarder systeem krijgt? Wellicht. Daartegenover staat dat je met meer letters de informatie compacter kunt maken of dat je RNA het werk laat doen, dat nu gedaan wordt door de eiwitten.
Eiwitten zijn veel flexibeler dan DNA en RNA en vouwen zich tot allerlei ingewikkelde vormen. De eiwitvorm, de ruimtelijke structuur, is wezenlijk voor het functioneren van dat molecuul. Mogelijk dat extra nucleotiden RNA ook die ‘vormvrijheid’ geeft, is de gedachte van Benner c.s. In (theorie van) de RNA-wereld krijgt het RNA toch ook de functie van zowel het eiwit als van informatiedrager (DNA) toegedicht? Waarom zou het leven die niet gebruikt hebben?, vroeg Benner zich af. “Een van de manieren daar achter te komen is ze in het lab te maken en kijken hoe dat werkt.”
Er zijn al onderzoekers die nieuwe nucleotiden al hebben ingebracht in het DNA van bacteriën, maar die nucleotiden zitten op een andere manier aan elkaar vast dan de natuurlijke, waardoor de vorm van DNA kan veranderen. De nucleotiden van Benner c.s. passen op elkaar als de C op de G en de A op de T. Kortom: net echt. Volgens de bekende synbioloog en Nobelprijswinnaar Jack Szostak is het werk van Benner c.s. indrukwekkend: “Een nieuw basepaar te vinden dat de dubbele helix van DNA niet verstoort is tamelijk moeilijk.” De onderzoekers toonden in hun evolutionaire artikel aan hoe goed dat grotere alfabet werkt. Ze begonnen met willekeurige strengen en kozen daaruit die stukken DNA die het best aan leverkankercellen hechtten. Van de 12 beste hechtsequenties bestond de top uit sequenties met Z’s en P’s.
Dat is natuurlijk nog maar het begin. Szostak: “Ik denk dat er nog heel wat werk gedaan moet worden om aan te tonen dat zesletter-DNA betere aptamers oplevert (korte stukken DNA; as) dan vierletter-DNA.” Waarom de zesletterstrengen beter in de kankertest scoorde, is onduidelijk. Benner wil het niet bij zes houden. Hij denkt al aan een tien- of twaalflettersysteem en wil die uitproberen in levende cellen.
Er zijn al voorbeelden van toepassingen van vreemde DNA-letters, bij het diagnosticeren van hiv en andere ziektes, bijvoorbeeld. Benner probeert eigenlijk de chemische mogelijkheden te onderzoeken die ‘het leven’ heeft ‘laten liggen’. Het huidige genetische systeem werkt maar een kant op: DNA–>RNA–>eiwitten. Wat als dat anders zou zijn? Benner denkt dat een systeem DNA/RNA sneller zou evolueren dan het driecomponentensysteem (plus eiwitten, dus). Het leven zoals we dat op aarde kennen hoeft niet per se het leven te zijn dat op andere planeten bestaat. “Als we leven elders vinden, dan heeft het waarschijnlijk slechts twee biopolymeren.” Of een of vier, ik zeg maar wat… Er valt nog veel te onderzoeken.
Bron: Quanta Magazine