Egzotikus kémiájú vírusok az árnyékbioszférában

Egyes baktériumot fertőző vírusok alternatív nukleobázist – adenin helyett 2-aminoadenint, azaz A helyett Z-t – alkalmazó genetikai ABC-t használnak génjeik felépítéséhez. Mint arról a Nature ismeretterjesztő magazinja beszámol, egy kínai és egy francia kutatócsapat megfejtette, hogyan működik az alternatív szisztéma.

A tudósok régóta vágynak arra, hogy megnöveljék a nukleobázisok diverzitását, és most a természet megmutatta nekünk, hogy ez hogyan lehetséges, nyilatkozta a kínai csapatot vezető komputációs biológusnő a Nature-nek. Suwen Zhao és munkatársai a kínai ShanghaiTech Egyetemen fejtették meg, hogyan készül a Z-DNS, míg a Pierre Alexandre Kaminski vezetésével dolgozó evolúciós biológusok a párizsi Pasteur Intézetben jutottak hasonló eredményre. A két tanulmány a Science ugyanazon lapszámában jelent meg.

Az alternatív szisztéma feltárása igen jelentős tudományos munka, nyilatkozta a tanulmányokról beszámoló Nature-nek Steven Benner szintetikusbiológus, aki korábban már több mesterséges nukleobázist is létrehozott. A floridai kutató szerint az eredmény fontossága ahhoz a fél évszázaddal ezelőtti felfedezés jelentőségéhez mérhető, amikor Carl Woese mikrobiológus az egysejtű élet egy új ágát fedezte fel. A Woese által azonosított archeák révén derült ki az árnyékbioszféra létezése, az alternatív genetikai ABC-t használó fágok ennek az árnyékbioszférának már a második elemét jelentik, magyarázza Benner.

A Z-DNS létét az 1970-es években a Szovjetúnióban fedezték fel, egy S-2L nevű, fotoszintetikus baktériumokat fertőző fágban. A felfedezéshez az vezetett, hogy kiderült: az S-2L DNS-ének a szokottnál magasabb az „olvadáspontja”, azaz DNS-spirálja magasabb hőmérsékleten válik szét két szálra. A fág DNS-e olvadás szempontjából úgy viselkedett, mintha csak citozinból és guaninból állt volna, és nem tartalmazott volna két hidrogénkötéssel összekötött adenin és timin bázist. A szovjetek további vizsgálattal kiderítették: az S-2L DNS-e A helyett Z-t tartalmaz, ami három hidrogénkötéssel kapcsolódik a T-hez, így stabilabb. A későbbiekben az is bebizonyosodott, hogy a hőstabilabb Z-DNS a baktériumok DNS-daraboló, vírusellenes védekezőrendszerével szemben is ellenállóbb. Hogyan épül fel enzimatikusan a fág Z-DNS-e? – a kínai és a francia kutatócsapat ezt fejtette most meg.

A francia kutatókat vezető Kaminski már a 2000-es évek elején szekvenálta (és bár nyilvánosságra hozta, szabadalmaztatta) a fág genomját, majd genomikai adatbázisokban az S-2L-hez hasonló génekkel bíró vírusok után kezdett kutatni. 2015-ben talált is egy Vibrio baktériumot fertőző fágot, míg a kínaiak 2019-ben szintén adatbázisokban keresve több hasonló vírusra is rábukkantak. A fágokban közös gént PurZ-nek nevezték el (a Z-purinbázist létrehozó enzim génje); mint kiderült, a PurZ a baktériumok sejtfalában lévő molekulából állítja elő a Z-nukleotidot. A továbbiakban a két kutatócsapat számos egyéb enzimet is azonosított a baktériumok genomjában, amik ezután a vírusok Z-DNS-ét összeszerelik. A franciák például felfedezték azt a polimeráz enzimet, ami beépíti a vírusba a Z-nukleotidot, miközben távoltartja az A-nukleotidot, a kínaiak pedig felfedeztek egy olyan bakteriális enzimet, ami az A-nukleotidokat feldarabolva növeli a Z-nukleotidok arányát, és azt is kimutatták, hogy a nagyobb Z-nukleotid-arány arra készteti a baktérium saját polimerázát, hogy a Z-nukleotidokat építse be, azaz elkészítse a vírus Z-DNS-ét.

A Z-DNS duplaspirálja más alakú, mint a kanonikus ABC-t használó duplahélix, így további feladatunk annak tisztázása lesz, hogy a sejt fehérjegyártó mechanizmusa hogyan képes leolvasni a Z-DNS-t, teszi hozzá Kaminski, míg Zhao azt hangsúlyozza, hogy a felfedezett gének révén lehetővé válik a Z-DNS könnyebb és olcsóbb előállítása, és a Z-DNS felhasználása: a stabilabb Z-DNS olyan nanorobotok előállítását teheti lehetővé, amik gyorsabban felveszik a szükséges formát, továbbá a DNS-adattárolás nagy problémája is megoldódhat: a bevitt adatokat a Z-DNS-ben hosszabb ideig raktározhatjuk.