I ricercatori hanno dimostrato come un enzima batterico naturale possa trascrivere con precisione il DNA contenente quattro lettere genetiche in più.
La vita utilizza un alfabeto del DNA composto da quattro lettere, ma il suo apparato genetico sarebbe in grado di leggerne uno più lungo? I ricercatori dell’Università della California di San Diego hanno dimostrato che la RNA polimerasi, l’enzima che copia le istruzioni del DNA in RNA, può trascrivere con precisione un alfabeto di otto lettere.
Gli scienziati hanno sviluppato “lettere genetiche” aggiuntive per conferire ai sistemi biologici ingegnerizzati una gamma più ampia di possibilità, tra cui la creazione di composti non presenti in natura. Studi precedenti hanno utilizzato alfabeti espansi per creare molecole di DNA sintetiche in grado di riconoscere le cellule tumorali del fegato. Per progredire in questo campo è necessario comprendere come i meccanismi cellulari naturali gestiscono queste “lettere” sconosciute.
Nuove lettere genetiche, segnali di riconoscimento familiari
Il team dell’UC San Diego ha esaminato la RNA polimerasi del batterio Escherichia coli o E. coli . La copiatura del DNA in RNA è il primo passo dell’espressione genica, il processo mediante il quale le cellule utilizzano le istruzioni genetiche. I ricercatori hanno testato come l’enzima riconosce due coppie di basi sintetiche, che aggiungono quattro lettere all’alfabeto naturale.
Esperimenti biochimici hanno permesso di stabilire come l’enzima elaborasse quelle lettere, mentre la microscopia crioelettronica ad alta risoluzione ha fornito al team una visione dettagliata del processo. I ricercatori hanno catturato istantanee strutturali che mostrano come la RNA polimerasi riconosca le lettere sintetiche e le incorpori durante la produzione di RNA, esaminando dettagli più piccoli della larghezza di un singolo atomo.
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Le lettere aggiunte sono state riconosciute attraverso gli stessi segnali biochimici e strutturali che l’enzima utilizza per le coppie di basi naturali. Questo aiuta a spiegare come la RNA polimerasi possa copiare accuratamente un alfabeto espanso utilizzando il suo meccanismo esistente. Tale comprensione a livello molecolare potrebbe supportare future diagnosi, trattamenti e sistemi biologici ingegnerizzati che utilizzano informazioni genetiche sintetiche.
Astratto
“Gli alfabeti genetici espansi con nucleotidi sintetici possono aumentare notevolmente la diversità chimica degli acidi nucleici, consentendo nuove funzioni molecolari. Poiché la trascrizione cellulare è eseguita da RNA polimerasi multi-subunità, la compatibilità delle coppie di basi non naturali con questo macchinario è essenziale per la progettazione di sistemi genetici espansi. In questo studio dimostriamo che l’RNA polimerasi di Escherichia coli trascrive in modo efficiente un alfabeto genetico a otto lettere con due coppie di basi non naturali ortogonali: le coppie P:Z e B:S. Per superare l’errata incorporazione di G:Z, abbiamo sintetizzato un analogo ad alta fedeltà, denominato Z*, in cui il gruppo nitro in posizione C5 è stato sostituito con un gruppo carbossammidico. Per chiarire i meccanismi di riconoscimento del substrato, abbiamo determinato quattro strutture di RNA polimerasi contenenti dZ:PTP o dP:Z*TP mediante microscopia crioelettronica a una risoluzione di 2,42–2,75 Å. Queste strutture, insieme al nostro lavoro preliminare sulla coppia S:B, dimostrano che la RNA polimerasi di E. coli è in grado di riconoscere efficacemente queste coppie di basi non naturali nello stesso modo in cui riconosce le coppie di basi naturali. Nel complesso, questi risultati stabiliscono la fattibilità di un alfabeto genetico a otto lettere per la trascrizione”.
Riconoscimento senza i soliti legami a idrogeno
Il team ha anche studiato coppie di basi sintetiche prive di legami a idrogeno, che normalmente contribuiscono a tenere unite le lettere genetiche appaiate. In uno studio correlato pubblicato su PNAS , i ricercatori hanno riferito che la RNA polimerasi è in grado di riconoscere un altro insieme di coppie di basi sintetiche anche in assenza di tali legami.