Forskere vil opbygge nye genetiske meta-koder

I klasselokaler jorden rundt lærer de studerende, at DNA-molekylet indeholder koderne til livets hemmeligheder. Også den etablerede videnskab er overbevist tilhænger af ideen om DNA’et som genetisk informationsbank for alle gener i enhver organisme.

For verdens bioteknologer er det ultimative mål at forstå og forandre dette unikke biomolekyle. Genetisk ingeniørkunst og dennes nære slægtning, syntetisk biologi, bruger begge redskaber fra den molekylære biologi til at konstruere nye DNA-molekyler og endda hele genomer – summen af alle gener i en organisme.

Når disse biologiske ingeniører producerer ny DNA i laboratoriet, så ved de allerede, at de på et senere tidspunkt kan inkorporere dette stykke DNA i, for eksempel, en bakterie, som derefter begynder at producere de ønskede molekyler. Med andre ord kan vi se DNA som en slags universelt sprog, som alle organismer ”taler” og ”forstår”.

Denne universalitet har dog både en god og dårlig side. Den gode er, at bioingeniører ikke behøver gøre sig overvejelser over selve sproget, når de konstruerer et nyt stykke genetisk information, hvilket er vanskeligt nok i sig selv.

Den dårlige er, at de er begrænset af det eksisterende ”ordforåd” i dette sprog, og, at det er svært at forhindre utilsigtet kommunikation mellem forskellige organismer.

Proteiner skal være med til at forbedre naturens ordforråd

I mange år har forskere blot måtte acceptere denne situation og så forsøge at få det bedste ud af den. Men for nylig gik en gruppe forskere og ingeniører, der alle var frustrerede over begrænsningerne i den genetiske kode, som naturen stiller til rådighed, i gang med at udforske, om naturens ordforråd måske kunne forbedres.

Et eksempel på, hvor en sådan indsats kan tænkes, er i sammenhæng med proteiner.

Alle naturlige proteiner er bygget op af kæder, bestående af forskellige slags aminosyrer. Længden på disse kæder kan variere, fra flere dusin til flere tusinde stykker, men de består alle af de samme 20 aminosyretyper.

Flere aminosyrer er vejen frem

Det betyder, at den genetiske information, ATGC’erne på det enkelte DNA, kun kan kode op til 20 forskellige aminosyrer, hvilket er et forbavsende lavt tal i betragtning af, at der findes flere hundrede forskellige aminosyrer i vores naturlige miljø.

Blandt de biologer, som studerer livets oprindelse, er nogle af den opfattelse, at de tidligste livsformer for milliarder af år tilbage startede med blot at have 10 aminosyrer til rådighed, og at de derefter langsomt tilføjede hver enkelt ny aminosyre gennem en evolutionær proces, for til sidst at ende med de 20 som vi naturligt har til rådighed i dag.

20 aminosyrer lyder ikke af meget, men man kan gøre meget med dem. Dog ikke så meget som hvis cellerne kunne bruge 21, 22 eller endnu flere. Men hvorfor nu det? Jo, en af grundene til, at vi forsøger at udvide den genetiske kode, er netop den udvidede funktionalitet, som disse nye og bedre proteiner bringer med sig.

Gymnasieelever bryggede øl og gjorde en opdagelse

Et eksempel på en sådan udvidet funktionalitet så vi i 2010, hvor forskeren Nedliko Budisa (nu ved Technische Universität Berlin) og Birgit Wiltschi (nu ved Austrian Center of Industrial Biotechnology) hjalp en gruppe østrigske gymnasieelever med et problem, som eleverne havde opdaget.

Problemet opstår, når man brygger øl, hvor den første del af processen består af at nedbryde kulhydrater til mindre glukosemolekyler (sukker) ved hjælp af enzymer (proteiner). Typisk bruger man det naturlige protein, amylase, til denne proces.

Men for at opnå en ordentlig industriel produktion – østrigere drikker ligesom danskerne temmelig meget øl – skal blandingen med kulhydrater varmes op til 80 grader. Den proces er selvfølgelig ganske energitung og producerer dermed en betydelig mængde drivhusgasser, uanset om øllet er ”økologisk” eller ej.

Klimavenligt øl takket være en ekstra aminosyre

Men skal miljøbevidste forbrugere så stoppe med at drikke øl, hvis de samtidig ønsker at redde klimaet? Enkelte advokerer måske for en sådan asketisk tilgang. Eleverne derimod fandt en smartere løsning og gjorde noget for klimaet uden at skulle undvære øl.

Løsningen kaldte de amylase 2.0: et protein der er magen til den oprindelige amylase, bortset fra at det består af 21 aminosyrer i stedet for de oprindelige 20.

De første forsøg har vist, at dette nye protein nedbryder kulhydrater til glukose mere effektivt. Og når vi bruger amylase 2.0, kan de store kar med kulhydrater nøjes med en temperatur på 50 grader i stedet for de oprindelige 80, hvilket sparer betydelige mængder energi og dermed drivhusgasser.

For at vi kan udfolde de forbedrede 20+ proteiners fulde potentiale, er Nedliko Budisa sat i spidsen for et europæisk forskningsprojekt ved navn METACODE, hvor hun og andre forskere undersøger mulighederne for at forbedre den oprindelige genetiske kode.

Forskerne går også i clinch med løssluppen GMO

METACODE består af otte forskningshold fra fem forskellige europæiske lande. De ønsker også at arbejde med et andet problem, som opstår, når vi arbejder med naturligt DNA, nemlig den utilsigtede kommunikation mellem organismer.

En af de store offentlige bekymringer omkring arbejdet med genetisk modificerede organismer og fødevarer har været risikoen for at overføre gener fra konstruerede organismer til de naturlige.

Genoverførsler er en betegnelse for det naturligt forekommende fænomen, hvor der udveksles genetisk materiale (typisk) mellem bakterier. Da bakterier ikke dyrker sex, er direkte overførsel den eneste måde, hvorpå de kan tilpasse deres afkoms genetiske konstellation.

Når vi konstruerer genetisk modificerede bakterier og slipper dem løs i naturen – enten med vilje eller ved et uheld – vil disse modificerede gener før eller siden finde vej til andre bakterier.

Nogle finder ideen om syntetiske gener, spredt rundt omkring i det naturlige miljø, skræmmende. I yderst sjældne tilfælde ville disse gener da også kunne udgøre en sikkerhedsrisiko, og allerede i 1980´erne forsøgte bioingeniører at finde på måder til at begrænse genoverførsel. F.eks. ved at minimere bakteriernes levedygtighed uden for laboratoriet. De oplevede dog kun begrænset succes, hvilket er den primære grund til, at genetisk modificerede bakterier ikke bliver sluppet ud i det fri før nu.

Kan man afkode gener ligesom hieroglyffer?

METACODEs forskere kigger også på en anden interessant egenskab ved de forbedrede genetiske koder, en egenskab som måske kan løse problemet med modificerede gener på afveje.

Gener, hvis koder er tilstrækkeligt forskellige, kan nemlig ikke længere udveksle information med hinanden, og det betyder, at den genetiske information i naturligt fremkommende koder, ville være meningsløs inden for den genetisk forbedrede kode.

Denne proces kan metaforisk beskrives med et eksempel fra historien.

I flere hundrede år kunne ingen tyde de antikke egyptiske hieroglyffer. Men i 1799, under en fransk krigsekspedition, fandt man den nu berømte Rosettasten, som senere førte til afkodningen af hieroglyfferne.

Rosettastenen giver os på en måde metakoden til at forstå et andet sprog. Uden den ville vi aldrig være blevet i stand til at forstå hieroglyfferne. Og teoretisk set ville de antikke egyptere heller ikke have kunnet forstå os.

Tilbage til biologien.

Nye typer DNA skal være anderledes

Skabelsen af en anden (tredje, osv.) genetisk kode kunne til sidst give os adgang til så forskelligartede biologiske sprog, at bakterier og andre organismer med denne nye kodning ikke ville være i stand til at kommunikere med hinanden.

Det betyder, teoretisk set, at ethvert stykke DNA, som blev udvekslet mellem dem, ville være meningsløst for modtageren. I princippet kan denne idé udvides til at omfatte mere end blot aminosyrer, og nogle forskere forsøger nu at konstruere nye typer DNA der alle er en smule anderledes end de originale.

Hvis man f.eks. udskifter bogstavet D (som bruges for den kemiske komponent Deoxyribose) med et H (som står for Hexose, en kemisk komponent der minder om den første), bliver DNA til HNA. HNA kan lagre genetisk information præcis ligesom dets storesøster DNA’et, men ethvert stykke information i HNA’et er inkompatibelt med de koder, som findes i DNA’et hos naturligt forekommende organismer.

Et andet forsøg går ud på at bytte rundt på ”bogstaverne” i det genetiske alfabet, som består af nukleotiderne ATGC (som igen står for en bestemt kemisk struktur). For nylig lykkedes det franske og tyske videnskabsmænd helt at erstatte en af de fire kanoniske baser i DNAet, Thymine (T i ATGC) med en anden base kaldet Chlorouracil.

Selvom disse opdagelser er både spændende og lovende, så er forskerne også forsigtige. De ønsker først og fremmest at forstå disse nye systemer tilstrækkeligt, før der kan udarbejdes løsninger med dem uden for laboratoriet, så vi undgår, at den naturlige genetiske firewall ikke skyder tilbage.