Setidaknya sejak leluhur bersama terakhir dari semua kehidupan di Bumi muncul sekitar 3,5 miliar tahun yang lalu, informasi genetik disimpan dalam alfabet empat huruf, yang didistribusikan dan dibaca dalam bentuk dua pasangan basa. Ini adalah empat basa nitrogen-karbon-hidrogen: adenin (A), timin (T), sitosin (C) dan guanin (G). Karena komposisi kimianya, mereka mengikat pasangan basa dengan urutan ketat yang tidak memungkinkan opsi: hanya AT dan C-G. Dalam sistem kuaterner seperti itu, semua kehidupan di Bumi disandikan.
Tujuan utama biologi sintetis sebagai ilmu adalah penciptaan bentuk kehidupan baru dan fungsi baru dalam organisme yang ada. Cara logis untuk mencapai tujuan ini adalah pengembangan organisme semi-sintetis dengan serangkaian pasangan basa yang diperluas. Selain empat basis satwa liar, mereka dapat mengandung sepasang basis sintetis, membentuk pasangan basis buatan ketiga: XY.
Upaya-upaya sebelumnya untuk menciptakan organisme semi-sintetis semacam itu
mencapai klimaksnya pada tahun 2016 . Kemudian para ahli genetika berhasil mengembangkan strain
Escherichia coli , yang mengekstraksi trifosfat sintetis yang diperlukan dari lingkungan dan menggunakannya untuk mereplikasi plasmid dengan basa sintetis. Ini adalah kasus pertama replikasi DNA semisintetik, tetapi organisme semisintetik semacam itu belum sepenuhnya lengkap. Cukup menyimpan dan mentransfer pasangan basa sintetis tidak cukup. Agar bermanfaat, ia harus berfungsi penuh, yaitu, yang pada akhirnya mampu mengekspresikan protein melalui RNA. Dan ini akan menjadi protein, yang tidak dapat diciptakan oleh kehidupan alami dalam sistem Kuarter.
Sekarang ahli biologi dari Scripps Research Institute telah melangkah lebih jauh. Mereka
menciptakan bakteri semisintetik lengkap (gambar di atas), yang mentranskripsi pasangan basa buatan menjadi mRNA dengan dua kodon sintetik dan tRNA dengan antikodon sintetis terkait - dan secara efisien menerjemahkannya dalam ribosom untuk memasukkan asam amino alami atau non-kanonik ke dalam protein fluorescent “superfolder GFP” (protein superfolder GFP) ( sfGFP).
Dalam hal ini, sfGFP digunakan hanya untuk demonstrasi, itu adalah penanda tradisional yang digunakan dalam penelitian genetik. Secara teoritis, bakteri dapat menyandikan asam amino lainnya.
"Ini adalah perubahan terkecil yang dapat kita lakukan dalam mekanisme kerja alam - tetapi ini adalah pertama kalinya," komentar Profesor Floyd Romesberg dari Scripps Research Institute, seorang penulis terkemuka karya ilmiah.
Struktur kimia pasangan basa sintetis dan alami ditunjukkan di bagian atas ilustrasi (a). Berikut ini adalah representasi skematis dari kaset gen yang digunakan untuk mengekspresikan urutan semi-sintetik. Dalam grafik c dan d, masing-masing, fluoresensi dan pertumbuhan sel mengekspresikan sfGFP dan tRNA semisintetik. Akhirnya, kiri bawah adalah bercak lysate Barat yang diperoleh dari generasi terakhir sel-sel ini yang ditunjukkan pada tanda ekstrem kanan grafik c dan d, dan kelimpahan relatif asam amino S, I / L dan N dari sel semisintetik ditunjukkan di sebelah kanan.Menurut para ilmuwan, hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa proses selain ikatan hidrogen dapat mengambil bagian dalam setiap langkah menyimpan dan mengekstraksi informasi genetik. Ternyata tidak adanya ikatan hidrogen pada pasangan basa tidak benar-benar mengganggu sel: perbanyakan DNA semisintetik masih terjadi dengan sangat sukses.
Dengan kata lain, kehidupan yang menyebar di sekitar kita, kemungkinan besar, bukan satu-satunya yang mungkin dari sudut pandang kimia. Kebetulan bahwa semua kehidupan di Bumi terbentuk secara tepat dari sampel tunggal seperti itu, tetapi tidak unik sama sekali.
Dengan demikian, organisme semisintetik yang dihasilkan secara bersamaan mampu menyandikan informasi genetik tambahan dan mengekstraksi untuk digunakan. “Saya tidak akan menyebutnya sebagai bentuk kehidupan baru,” kata Romsberg, “tetapi ini adalah bentuk terdekat dari bentuk kehidupan baru yang pernah dilakukan oleh siapa pun. Untuk pertama kalinya, sel menyiarkan protein menggunakan sesuatu selain G, C, A atau T. ”
Empat basa alami DNA hanya mampu mengkodekan 20 asam amino, sehingga semua bentuk kehidupan di Bumi terbatas secara eksklusif pada protein-protein ini. Menggunakan pasangan basa ketiga - sintetis - tubuh mampu mengkodekan hingga 152 asam amino baru.
Menurut para peneliti, organisme ini harus diambil sebagai platform untuk menciptakan bentuk dan fungsi kehidupan baru. Secara teoritis, bentuk kehidupan baru yang ada dalam sistem heksadesimal dapat membuka kemungkinan yang sama sekali baru dalam kedokteran dan farmakologi, membantu dalam penciptaan obat baru.
Synthorx, Inc., sebuah perusahaan Amerika yang berspesialisasi dalam pencarian obat baru menggunakan pasangan basa sintetis X dan Y
Para ilmuwan mencatat bahwa bentuk kehidupan semisintetik yang mereka ciptakan dan semuanya mirip dengan itu tidak akan dapat hidup di luar dinding laboratorium, karena untuk reproduksi basis X dan Y dalam larutan, bahan kimia yang sesuai harus ada.
Artikel ilmiah ini
diterbitkan pada 30 November 2017 di jurnal
Nature (doi: 10.1038 / nature24659,
pdf ).