To DNA είναι ένας τύπος μεγάλου και πολύπλοκου μορίου (μακρομόριο) χαρακτηριστικής δομής1Alberts, Bruce, et al. “Molecular Biology of the Cell. 4th edition.” The Structure and Function of DNA. Garland Science, 2002, www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26821. που συνιστά το γενετικό υλικό της πλειοψηφίας των οργανισμών. Μια αλυσίδα DNA αποτελείται από αλληλουχίες συγκεκριμένων δομών, των δεοξυριβονουκλεοτιδίων. Αυτά απαρτίζονται από ένα μόριο σακχάρου με πέντε άτομα άνθρακα (δεοξυριβόζη), μία φωσφορική ομάδα και μία αζωτούχα βάση (αδενίνη, θυμίνη, γουανίνη ή κυτοσίνη).
Αυτές οι αζωτούχες βάσεις είναι ανά ζεύγη συμπληρωματικές, δηλαδή η αδενίνη ενώνεται με μια θυμίνη και η γουανίνη με μια κυτοσίνη, και μαζί με τη φωσφορική ομάδα και το σάκχαρο που αναφέρμαμε, σχηματίζουν τα λεγόμενα νουκλεοτίδια στη γνωστή διπλή έλικα του DNA.
Σε μία απλοποιημένη παρομοίωση, θα μπορούσαμε να φανταστούμε τις δομικές ενώσεις του DNA ως “συνταγές” και το σύνολο του DNA ως το πλήρες “βιβλίο μαγειρικής” του κυττάρου το οποίο περιέχει όλες τις οδηγίες για θεμελιώδεις λειτουργίες ενός οργανισμού όπως, μεταξύ άλλων, τη σύνθεση πρωτεϊνών. Σύμφωνα με πρόσφατη μελέτη στο χώρο της συνθετικής βιολογίας, ομάδα ερευνητών παρουσίασε μια κατηγορία συνθετικών νουκλεοτιδίων, τα οποία θα μπορούσαν να επιφέρουν σημαντικές αλλαγές σε διάφορα διαγνωστικά εργαλεία και θεραπευτικές μεθόδους.
Η μελέτη και τα αποτελέσματα
Η εν λόγω μελέτη2Depmeier, Hannah and Stephanie Kath-Schorr. “Expanding the Horizon of the Xeno Nucleic Acid Space: Threose Nucleic Acids with Increased Information Storage.” J. Am. Chem. Soc., vol. 146, no. 11, 20 Mar. 2024, pp. 7743-51, doi:10.1021/jacs.3c14626. Αρχειοθετημένο εδώ. της ερευνητικής ομάδας του Πανεπιστημίου της Κολωνίας δημοσιεύθηκε στις αρχές Μαρτίου του 2024 και σηματοδοτεί σημαντική πρόοδο στην προσπάθεια χρόνων για σύνθεση και πιθανή χρήση τροποποιημένων νουκλεοτιδικών δομών στο εργαστήριο που ονομάζονται ξενονουκλεϊκά οξέα (XΝΑs). Τα ξενονουκλεϊκά οξέα είναι μόρια παρόμοιας δομής με το DNA που δεν προκύπτουν φυσικά και έχουν, συγκριτικά, ενισχυμένες ιδιότητες που μπορεί να είναι χρήσιμες στην φαρμακολογία, την γενετική και την ιατρική.
Συγκεκριμένα, ανέπτυξαν μεθόδους σύνθεσης ενός τύπου ξενονουκλεϊκού οξέως που ονομάζεται TNA (α-threofuranosyl nucleic acid) και μίας σειράς ειδικών ενζύμων που είναι απαραίτητα για την λειτουργία του. Το ΤΝΑ, σε αντίθεση με το DNA, στην θέση της δεοξυριβόζης έχει ένα σάκχαρο με μόνο τέσσερα άτομα άνθρακα, έτσι, το παραγόμενο μόριο είναι πολύ πιο ανθεκτικό3Dunn, Matthew R., et al. “Generating Biologically Stable TNA Aptamers that Function with High Affinity and Thermal Stability.” J. Am. Chem. Soc., vol. 142, no. 17, 29 Apr. 2020, pp. 7721-4, doi:10.1021/jacs.0c00641. Αρχειοθετημένο εδώ. σε παράγοντες όπως θερμοκρασία. Επιπλέον, το TNA, χάρη στην τροποποιημένη δομή του, αλληλεπιδρά με συγκεκριμένες αλληλουχίες DNA (ή RNA) μέσω της συμπληρωματικότητας των βάσεων, αλλά είναι ανθεκτικό στην αποικοδόμηση από τα ένζυμα του κυττάρου. Αυτό επιτρέπει την στοχευμένη δράση του TNA χωρίς παρεμβολές στη φυσιολογική λειτουργία του εκάστοτε κυττάρου ή ευρύτερα μοριακού στόχου. Δραστικές ουσίες που έχουν ενσωματωθεί σε μια τέτοια αλυσίδα θα έχουν την δυνατότητα να παρακάμπτουν, μόνο για όσο χρειάζεται, τους αμυντικούς μηχανισμούς του κυττάρου και έτσι θα μεταφέρονται ταχύτερα και με μικρότερες απώλειες στα σημεία που θέλουμε.
Η μελέτη διερεύνησε την εισαγωγή ενός ασυνήθιστου ζεύγους συνθετικών βάσεων, της βάσης TPT3 με την βάση NaM (για ευκολία οπτικοποίησης μπορούμε να φανταστούμε ότι αυτές οι δυο βάσεις συνδέονται μεταξύ με αντίστοιχο τρόπο όπως η αδενίνη με την θυμίνη σε ένα μόριο DNA) στη δομή του TNA. Ο λόγος που αυτό το ζεύγος βάσεων χαρακτηρίζεται ως “ασυνήθιστο” είναι, μεταξύ άλλων, ο τρόπος που οι δυο βάσεις συνδέονται μεταξύ τους. Τα ζεύγη βάσεων στο DNA συνδέονται μεταξύ τους με ειδικούς δεσμούς που ονομάζονται δεσμοί υδρογόνου, ενώ οι συνθετικές βάσεις στα μόρια TNA συνδέονται μεταξύ τους με υδρόφοβους δεσμούς. Αυτές οι δυο μορφές δεσμών έχουν αρκετές διαφορές. Οι δεσμοί υδρογόνου περιορίζουν τον αριθμό των μορίων που μπορούν να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους για να σχηματίσουν δεσμούς αλλά οι υδρόφοβοι δεσμοί δίνουν πολύ μεγαλύτερη ευελιξία και συνεπώς περισσότερες επιλογές για σύνθεση νέων συμπληρωματικών βάσεων. Επίσης οι υδρόφοβοι δεσμοί είναι πολύ πιο ισχυροί συγκριτικά με τους δεσμούς υδρογόνου ενώ μόρια με πολλούς τέτοιους δεσμούς δεν διαλύονται εύκολα στο νερό. Στο πλαίσιο της μελέτης ωστόσο, οι ερευνητές αντιμετώπισαν σημαντικές προκλήσεις, ειδικά στην ενσωμάτωση της συνθετικής βάσης NaM. Η διαδικασία αυτή απαιτεί περαιτέρω έρευνα για τη βελτίωση των ενζύμων που ενσωματώνουν τα νέα νουκλεοτίδια στην αλυσίδα του TNA, υποδεικνύοντας την ανάγκη για περισσότερη έρευνα στον τομέα της συνθετικής βιολογίας.
Αυτό που διαφοροποιεί το TNA από τα μέχρι τώρα υπάρχοντα XNAs είναι πως χρησιμοποιεί τρία ζεύγη βάσεων αντί για δύο, αυξάνοντας έτσι τα γενετικά «γράμματα της αλφάβητου» από 4 σε 6. Εξαιτίας αυτού, και σε συνδυασμό με την ιδιότητα της ανθεκτικότητας, το ΤΝΑ έρχεται να διευρύνει την φαρέτρα εργαλείων ελέγχου παθολογικών κυτταρικών λειτουργιών σε ασθενείς, αναγνωρίζοντας συγκεκριμένες αλληλουχίες και δρώντας ανάλογα σε αυτές. Επιπρόσθετα, ενδέχεται να φανεί χρήσιμο στην διάγνωση λοιμώξεων αλλά και γονιδιακών μεταλλάξεων, ενώ ταυτόχρονα δείχνει δυνατότητα διευκόλυνσης και βελτίωσης επί των διαδικασιών διαφόρων βιοχημικών εξετάσεων.
Τέλος, η μελέτη υπογράμμισε την ανάγκη για την ανάπτυξη ενός ειδικού σημαντικού ενζύμου που λέγεται αντίστροφη μεταγραφάση, το οποίο θα επιτρέπει την πιο αποτελεσματική επιλογή συνθετικών δομών TNA για κλινικές εφαρμογές. Το ΤΝΑ παραμένει σε ένα ιδιαίτερα πρώιμο στάδιο ανάπτυξης, καθώς η σύνθεση του βρίσκεται ακόμα στο στάδιο της εργαστηριακής έρευνας (in vitro). Αναμένονται δεκαετίες προσπαθειών ώστε να εξακριβωθεί η πραγματική αλληλεπίδρασή του με ζωντανούς οργανισμούς και να μελετηθεί η χρήση του σε κλινικές δοκιμές και έπειτα στην καθημερινή κλινική πράξη. Παρ’ όλα αυτά αποτελεί ακόμα ένα πιθανό εργαλείο που υπόσχεται πολλά στους τομείς διάγνωσης και θεραπείας στο μέλλον.
