Képzeljük csak el: minden élőlény – legyen az apró baktérium, majszoló juharfa vagy a mélytengeri cápa – ugyanazt az egyetemes, digitális utasításkészletet használja az élet építőköveinek létrehozásához. Sejtjeink a DNS-ünkben rejlő információkat alakítják át fehérjékké, és ez a folyamat elképesztően hatékony. Van azonban egy rendkívüli tulajdonsága ennek a genetikai tervrajznak, amely évtizedek óta foglalkoztatja a tudósokat: a redundancia. A genetikai kód túlzottan „felszereltnek” tűnik, hiszen ugyanazt a fehérje-építőelemet, az aminosavat, többféle módon is kódolhatja. Vajon ez csupán a véletlen műve, vagy valamilyen mélyebb, rejtett célt szolgál?
Ez az ősi biológiai rejtély ma már nem pusztán elméleti találgatás tárgya. Az elmúlt évtizedben a génmanipuláció forradalmi fejlődésének köszönhetően a tudósok merész lépésre szánták el magukat: megpróbálták újraírni az élet alapvető kódját. A cél? Létrehozni olyan mikroorganizmusokat, amelyek egyszerűsített, redukált genetikai kóddal is képesek működni, részben megfosztva őket ettől a rejtélyes redundanciától. Nemrégiben a Science folyóiratban megjelent egy tanulmány, amely egy lenyűgöző eredményről számol be: egy baktériumról, amely minden eddiginél minimalistább genetikai kóddal él.
Az élet nyelvtana: bázisok, kodonok, aminosavak
Mielőtt mélyebbre merülnénk, vessünk egy pillantást az alapokra! DNS-ünk négy molekuláris betűből áll: adenin (A), timin (T), guanin (G) és citozin (C). Ezek a betűk, százas vagy ezres sorozatokban rendezve, alkotják a géneket. Sejtjeink a génekben lévő bázissorozatot úgy olvassák le, mint egy utasításkönyvet: három bázist egyszerre értelmeznek, ezeket hívjuk kodonoknak. Minden kodon a sejtben található húsz különböző aminosav egyikét azonosítja. Az aminosavak láncba fűzésével épülnek fel aztán a fehérjék, amelyek életünk minden funkciójához elengedhetetlenek.
És itt jön a csavar: egy adott aminosavat nem egy, hanem gyakran több kodon is kódolhat. Például a szerin aminosavat nem kevesebb, mint hat különböző kodon is eredményezheti (TCT, TCC, TCA, TCG, AGT, AGC). Összesen 61 különböző kodon felelős a húsz aminosavért, és további három kodon jelzi a gén végpontját. Így jutunk el a lenyűgöző 64 kodonos készlethez, ami valóban rendkívül redundáns. Vajon miért? Miért van ennyi „felesleges” kódolási lehetőség, ha az élet elvileg egyszerűbbre is beérné?
Az 1960-as évek óta elmélkednek a szakemberek az élet kódjának ezen „túlméretezett” jellegén. Számos kivételtől eltekintve, bolygónk minden fajta ugyanazt a 64 kodont használja. Mivel ez az utasításkészlet ennyire univerzális, a tudósok sokáig azt gyanították, hogy biztosan valami alapvető ok áll a többszörös kódolás hátterében. Lehet, hogy stabilitást vagy rugalmasságot biztosít?
Új korszak a szintetikus biológiában: a kód zsugorítása
Körülbelül egy évtizede azonban a génszintézis terén elért áttörések lehetővé tették, hogy a kutatók ne csak találgassanak, hanem aktívan teszteljék ezeket a feltevéseket. A semmiből építhettek fel genomokat, és eltávolíthattak bizonyos redundáns kodonokat, hogy megfigyelhessék, vajon a sejtek képesek-e túlélni egy szűkített kóddal. Nyerges Ákos, a Harvard egyik szintetikus biológusa, aki maga is a genetikai kód zsugorításán dolgozik, így fogalmazta meg a kihívást: „Elkezdhetjük feltárni, mit képes elviselni az élet. Végre kipróbálhatjuk ezeket az alternatív genetikai kódokat.”
A cambridge-i Orvosi Kutatási Tanács (Medical Research Council) laboratóriumában Wesley Robertson és kollégái pontosan ezen a fronton tevékenykednek. A kísérleteikhez a jól ismert Escherichia coli baktériumot választották, amely több mint egy évszázada a mikrobiológiai kutatások kedvenc alanya. Céljuk az volt, hogy a baktérium genetikailag „feleslegesnek” ítélt kodonjait eltávolítsák, bízva abban, hogy ez nem okoz majd helyrehozhatatlan károkat. Robertson csapata például azt a hatalmas feladatot tűzte ki, hogy a hat szerin-kódot mindössze kettőre csökkentse.
Ez a törekvés azonban egy valóságos gigászi mérnöki bravúrt követelt. Az E. coli genomja mintegy négymillió bázispárból áll, és minden egyes kodontípus több ezer különböző helyen fordul elő benne. Ennyi változtatás végrehajtásához a tudósoknak lényegében teljesen újra kellett építeniük a genomot.
Syn57: A leegyszerűsített élet diadalmas születése
A cambridge-i csapat 2019-ben már bemutatta első sikeres alkotását: egy E. coli változatot, mely mindössze 61 kodont tartalmazott, és a Syn61 nevet kapta. A tény, hogy három kodon nélkül is képes volt életben maradni és szaporodni, további inspirációt adott nekik: vajon meddig lehet még egyszerűsíteni a baktérium genetikai kódját? „Az motivált minket, hogy megnézzük, meddig tudjuk egyszerűsíteni a genetikai kódot” – magyarázza Robertson.
Elhatározták, hogy létrehozzák a Syn57-et, egy E. coli törzset, amely mindössze 57 kodont hordoz. Ez a kihívás egy versenybe torkollott a Harvard Nyerges vezette csapatával, akik szintén ugyanezen a célon dolgoztak. Míg a Syn61 létrehozásához 18 ezer kodont kellett módosítani, a Syn57 esetében több mint százezer változtatásra volt szükség! A módosításokat apró DNS-fragmentumokon tesztelték, figyelve, hogyan képes azokat a mikroba leolvasni.
„Határozottan voltak olyan időszakok, amikor nem tudtuk, hogy ez zsákutca, vagy mégis sikerülhet. De hibáról hibára rájöttünk, hogyan lehet kijavítani a megváltozott DNS-t, és kitartásunk végül meghozta gyümölcsét.” – Ez a küzdelem a tudományos felfedezés emberi oldalát mutatja be, ahol a kitartás és a problémamegoldás a siker kulcsa.
Nem minden módosítás ment zökkenőmentesen. A baktériumok genomjában bizonyos gének átfedik egymást, így egy kód megváltoztatása könnyen tönkretehette volna egy másik gén szekvenciáját. Számos javítást és áthidaló megoldást kellett kitalálniuk, beleértve az átfedő génpárok szétválasztását is. A hihetetlen munka eredményeként a napokban bejelentették: sikeresen létrehozták a Syn57-et. Yonatan Chemla, a MIT szintetikus biológusa, aki nem vett részt a kutatásban, így vélekedett: „Elég őrületes, hogy sikerült véghezvinniük. Ez egy technikailag rendkívüli bravúr.” Eközben a Harvardon Nyerges csapata is hasonló kihívásokkal küzd, de optimista a teljes siker felől.
A minimalista lét: ára és lehetőségei
A Syn57 kétségtelenül él, de működése mégis törékeny. Míg egy normál E. coli populáció egy óra alatt megduplázódik, a Syn57-nek ehhez négy órára van szüksége – ez rendkívül gyenge teljesítmény. Robertson és kollégái most azon dolgoznak, hogy javítsák a Syn57 növekedési rátáját. Ha sikerrel járnak, ez a speciális baktérium rengeteg hasznos feladatot végezhet majd, amire a hagyományos mikroorganizmusok nem képesek.
A leegyszerűsített genetikai kód rendkívüli lehetőségeket rejt magában. A fehérjék felépítéséhez használt 20 aminosav mellett a vegyészek több száz más szintetikus aminosavat is előállíthatnak. A Syn57 úgy programozható át, hogy a hét hiányzó kodonja ezeket az új típusú aminosavakat kódolja. Ez megnyithatja az utat újfajta gyógyszerek vagy más különleges molekulák termeléséhez, amiket a természetes életformák nem képesek előállítani.
A Syn57 segíthet a tudósoknak abban is, hogy hatékonyabban kezeljék a génmódosított mikroorganizmusok környezetbe jutásával járó potenciális kockázatokat. A mikrobiológusok régóta vizsgálják, hogyan lehetne baktériumokkal műanyagot lebontani vagy szennyező anyagokat kimutatni a talajból. A baktériumok azonban könnyedén cserélnek géneket, így egy módosított gén elszabadulása ökológiai károkat okozhat. Ha azonban a gén egy olyan mikroorganizmusból származik, mint a Syn57, amely eltérő genetikai kódot használ, akkor az a természetes mikroorganizmusok számára értelmetlen lenne. Ez egyfajta biológiai tűzfalat jelentene. Robertson szerint: „Így megakadályozhatjuk, hogy információ szivárogjon ki a szintetikus organizmusunkból.”
A redundancia titkai: Crick hipotézise és a Syn57 üzenete
A Syn57-hez hasonló organizmusok lehetővé teszik a szakemberek számára, hogy megfejtsék a genetikai kód örök rejtélyét. 1968-ban a Nobel-díjas biológus, Francis Crick két ellentétes hipotézist vázolt fel arra vonatkozóan, hogy a kód miért egyszerre redundáns és univerzális.
Az egyik lehetőség az volt, hogy a 64 kodonból álló genetikai kódnak valamilyen rejtett, de lényegi előnye van más elrendezésekkel szemben. A korai Földön a természetes szelekció kedvezett ennek a rendszernek, amíg ki nem szorította az összes többit.
Crick azonban inkább a második magyarázat felé hajlott: azon a véleményen volt, hogy a genetikai kód nagyrészt a véletlen eredménye. Feltételezte, hogy mutációk révén bizonyos kodonok véletlenszerűen bizonyos aminosavakat kezdtek kódolni. Ahogy a korai életformák bővítették genetikai kódjukat, egyre összetettebb fehérjéket tudtak építeni. Az evolúció azonban találomra kapcsolta össze a kodonokat az aminosavakkal. Miután a fehérjék naggyá és összetetté váltak, a genetikai kód már nem tudott tovább fejlődni. Bármilyen mutáció, amely megváltoztatta volna, sok hibás fehérjét eredményezett volna, ami az organizmus pusztulásához vezetett volna. Robertson szerint a Syn57 azon képessége, hogy hét kodon nélkül is képes túlélni, éppen ezt a teóriát támasztja alá. „Ez azt mutatja, hogy az univerzális genetikai kódban nincs semmi alapvető és elengedhetetlen – sokkal inkább egy történelmi baleset eredménye lehetett.”
