POSTOJI cijeli niz virusa koji imaju strukturu DNK bitno drugačiju od svih ostalih organizama na Zemlji, pokazala su tri nova istraživanja objavljena u prestižnom časopisu Science.
Fascinantna fleksibilnost virusa
Tijekom pandemije puno se pisalo i govorilo o tome kako SARS-CoV-2 spada među viruse koji kao genetski kod imaju RNK umjesto DNK koju koriste adenovirusi, ali i virusi herpesa i papilomavirusi te većina živih bića.
No, istraživanja su pokazala da su virusi u svojoj evoluciji još fleksibilniji, da mogu imati DNK koja ima bitno drugačiju strukturu.
DNK se generalno uvijek sastoji od četiri nukleotida, odnosno baze – adenina (A), citozina (C), guanina (G) i timina (T) koji se vodikovim vezama (prikaz dolje) međusobno povezuju u bazne parove A-T i G-C prema pravilu Jamesa Watsona i Francisa Cricka koji su prvi otkrili da kodna molekula života ima oblik dvostruke zavojnice.
Rat bakterija i virusa
No postoje virusi koji su se specijalizirali za napade na bakterije, tzv. bakteriofagi. U tom ratu koji traje već eonima virusi su usavršavali svoje tehnike napada na bakterije, a bakterije svoje mehanizme zaštite od njih. U nekom trenutku u povijesti bakteriofagi su ovu utrku u naoružanju podigli na sasvim novu razinu promijenivši način kodiranja svoje DNK.
"Četiri nukleobaze tvore genetsku abecedu, ATCG, koja se čuva u svim domenama života", pišu biolozi Michael Grome i Farren Isaacs u nedavno objavljenom znanstvenom radu.
"Međutim, 1977. godine otkriven je DNK virus cijanofag S-2L kod kojeg su sve baze 'A' u cijelom njegovom genomu zamijenjene s 2-aminoadeninom (Z) što znači da ima sasvim drugačiju genetsku abeceda ZTCG", dodaju autori.
Znanstvenici su pretpostavili da je razlog za takvu promjenu samozaštita virusa. Naime, u povezujućim stepenicama dvostruke zavojnice DNK, koja nalikuje na ljestve, baza 'Z' ima tu prednost da tvori trostruku vezu sa suprotnom bazom 'T', jednu više od dvije veze kakve ima uobičajeni par A - T. Takvu mogućnost postiže zahvaljujući dodatnom NH2 koji strši iz molekule i omogućuje jednu dodatnu vodikovu vezu (slika dolje). To genom virusa čini otpornijim jer je bakterijama teže razoriti takve kemijske spojeve.
Znanstvenici su bili fascinirani otkrićem drugačijeg genoma cijanofaga, međutim, od tada nije pronađen nijedan drugi bakteriofag sa Z-genomom. Budući da se cijanofag S-2L teško uzgaja u laboratoriju, Z-genom je pomalo zaboravljen kao svojevrstan kuriozitet.
Otkriveni deseci virusa sa Z-DNA
Međutim, nova istraživanja, predstavljena u tri odvojena rada znanstvenika iz Francuske i Kine, pokazala su da ovakva DNK nije unikatna, da postoji kod velikog broja bakteriofaga.
"Znanstvenici su dugo sanjali o povećanju raznolikosti baza DNK. Naš rad pokazuje da je priroda već smislila način za to", napisao je u svom radu jedan od timova, predvođen prvim autorom Yan Zhouom sa sveučilišta u Tianjinu.
Zhouov tim, zajedno s drugom skupinom koju je vodila mikrobiologinja Dona Sleiman s Instituta Pasteur, pronašli su dva glavna proteina koja su nazvali PurZ i PurB,a koji stvaraju bazu 'Z'.
Treća skupina, koju je predvodila sintetička biologinja s Université Paris-Saclay Valerie Pezo, potvrdila je ta otkrića i analizirala enzim - nazvan DpoZ - koji je odgovoran za sastavljanje cijelog Z-genoma.
Kako A postaje Z?
Jedno od važnih pitanja koje je otkriće nametnulo je kako se adenin (A) u DNK zamjenjuje s diaminopurinom (Z).
Pokazalo se da jedan od gena prisutnih u genomu virusa S-2L kodira protein koji je povezan s onim koji stanice koriste za stvaranje A, baze najsličnije Z. No, kada se pažljivo pogleda protein koji taj gen kodira, otkriva se da se nekoliko aminokiselina koje sudjeluju u kataliziranju kemijskih reakcija ipak razlikuje. Te promjene utječu na to koje molekule mogu stati na katalitičko mjesto na proteinu kodiranom genom. Istraživanje genoma drugih virusa pokazalo je da se jedna od ovih specifičnih promjena nalazi u desecima drugih virusa.
Istraživači su napravili neke od proteina virusna i inkubirali ih zajedno sa sirovinama koje koristi normalna verzija enzima. Otkrili su da protein, umjesto da stvara prethodnik adenina, stvara prekursor diaminopurina. Drugi enzim koji se nalazi u bakterijama, potom je taj prekursor pretvorio u zrelu bazu za stvaranje Z-DNA. Dakle, virus nosi sve što je potrebno za stvaranje vlastite Z-DNA.
U svojim istraživanjima znanstvenici su pronašli više od 60 virusnih genoma koji su sadržavali kombinaciju gena potrebnu za kodiranje Z-DNK.
Čemu služi takva promjena?
Jedno od ključnih pitanja koje je nametnulo otkriće također je i zašto bi virusi prolazili kroz sve ove zavrzlame da bi stvorili neku posebnu DNK?
Znanstvenici smatraju da je razlog za to zaštita od oružja kojim se bakterije štite od virusa. Jedan od glavnih oblika obrane koju bakterije koriste su enzimi koji prepoznaju specifične virusne sekvence u DNK i režu ih. Bakterije istovremeno kemijski modificiraju vlastite DNK tako da isti enzimi u njima ne mogu rezati vlastitu DNK, što znači da će rezati samo stranu, poput one virusa.
Ispostavilo se da ti enzimi bakterija ne uspijevaju prepoznati sekvence Z-DNA i stoga ih ne mogu izrezati. Na taj način virus u potpunosti izbjegava ovu vrstu obrane bakterija. Istraživači su testirali razne enzime za rezanje i ustanovili da nijedan koji inače služi za rezanje uobičajene sekvence DNK koja bi na ciljanom mjestu rezanja imala A, nije uspio obaviti posao rezanja.
To znači da baze Z ometaju sposobnost enzima da prepoznaju DNK koja sadrži bazu A. Uz to, trostruka vodikova veza Z i T otpornija je od dvostruke A i T.
Vanzemaljsko podrijetlo Z
Još jedna zanimljivost u otkriću jest to da je diaminopurin identificiran u meteoritima, što sugerira da se može bez previše problema spontano formirati u svemiru. To je otkriće u skladu s idejom da su neke kemikalije koje su pokrenule život mogle stići na Zemlju iz svemira. Međutim, to je također otvorilo pitanje zašto je diaminopurin u nekom kasnijem trenutku zamijenjen adeninom.
Istraživanje je, među ostalim, zanimljivo i zato što postoji puno mogućih načina za korištenje alternativnih oblika DNK. Naime, bazni parovi Z-T trebali bi tvoriti stabilnije interakcije od A-T parova, što bi moglo biti korisno u slučajevima kada istraživači koriste DNK u strukturne ili računarske svrhe.
Osim toga, oblik DNK koji proteini u većini stanica ne prepoznaju mogao bi lako pronaći puno potencijalnih medicinskih primjena.