Ugradnja neprirodnih parova baza u DNA

Struktura dvolančane uzvojnice deoksiribonukleoinske kiseline ili molekule DNA sastoji se od dvaju isprepletenih lanaca kojima je šećerno-fosfatna okosnica s vanjske strane, a baze s unutarnje strane uzvojnice te tako čine ovu molekulu vrlo učinkovitim i otpornim sredstvom za spremanje informacija. Raznolikost i kompleksnost staničnih organizama posljedica je jedinstvenih sljedova nukleotida u molekuli DNA koji kodiraju raznolike proteine. Tijekom procesa transkripcije i translacije u stanicama se eksprimiraju proteini specifičnih funkcija ovisno o stadiju razvoja, vrsti stanica te okolišnim uvjetima. Purinske i pirimidinske baze tvore dva specifična para povezanih vodikovim vezama, vezama koje su relativno slabe što omogućuje reverzibilno kidanje u biokemijskim procesima, a isto tako jake da pomažu u stabilizaciji specifičnih struktura kao što je to dvostruka uzvojnica. Specifične parove stvaraju četiri dušikove baze pri čemu se adenin sparuje s timinom, a gvanin citozinom. U nekim slučajevima, osim sparivanja navedenih parova, otkriveno je da se u DNA sljedove mogu i selektivno ugraditi neprirodni nukleotidi koji se povezuju vodikovim ili hidrofobnim interakcijama. Istraživanjima upravo u tom području dizajniranja novih neprirodnih nukleotida došlo je do iznenađujućih otkrića u laboratorijima kemije i sintetske biologije. U ovom radu bavit ću se opisivanjem rezultata niza istraživanja u kojima su otkriveni novi razredi neprirodnih parova baza koji su potencijalni kandidati za razvoj nekoliko različitih modela koji bi objasnili način sinteze molekule DNA u odsutnosti vodikovih interakcija. Ugradnja petog i šestog nukleotida u DNA, odnosno stvaranje trećeg (neprirodnog) para baze, omogućila bi pohranu veće količine informacija koje DNA može nositi. U početnim stadijima istraživanja, ideja je bila usmjeriti razvoj neprirodnih nukleotida prema stvaranju hidrofobnih interakcija kako bi se na taj način povećala selektivnost sparivanja samo neprirodnih baza te izbjegle interakcije s prirodnim. Napredak u istraživanju pridonio je povezivanju odnosa komplementarnosti struktura i aktivnosti baza. Koristeći se brojnim tehnikama među kojima su i ispitivanja na osnovi enzimske kinetike i PCR-a te u konačnici i pokusi in vivo, otkriveni su bitni čimbenici za nastajanje hidrofobne, ali isto tako i vodikove veze. Istraživanja koja se temelje na važnosti vodikovih interakcija razvile su parove S-Y i S-Z čije je umnožavanje u PCR-u bilo s relativno dobrom vjernosti. Međutim, tijekom istraživanja takvih neprirodnih nukleotida naišlo se na mnoge probleme koji se tiču komplementarnosti oblika i potrebnih atoma za vodikove veze, kao i prevelike sposobnosti sparivanja s prirodnim nukleotidima. Zato su sva buduća istraživanja prakticirana na stvaranju baza s hidrofobnim pakiranjem. Na tom polju, razvijeno je mnogo više kandidata (~ 6000 nukleotida) koji su imali dobru ili vrlo dobru selektivnost sparivanja i umnožavanja u PCR reakcijama. Ovdje valja istaknuti najuspješnije parove nukleotida dMMO2-d5SICS, dNaM-d5SICS i dTPT3- dNaM, čije učinkovitosti ugradnje u DNA tijekom PCR-a dosežu i do 99,7%, a selektivno se ugrađuju tijekom replikacije i transkripcije in vivo u stanicama