Znaczenie trypletów zaczęły wyjaśniać prace Nirenberga, który w 1961 roku zmieszał rybosomy bakterii E. coli z aminokwasami i nićmi RNA zawierającymi ciąg powtórzonych nukleotydów jednego rodzaju. Gdy nic zbudowana była tylko z uracylu, uzyskał długi łańcuch białkowy składający się z aminokwasów fenyloalaniny. Odszyfrowano pierwszy tryplet – mRNA o sekwencji UUU niosący wiadomość „wstaw cząsteczkę fenyloalaniny do cząsteczki białka”. W ciągu pięciu lat ustalono znaczenie wszystkich 64 kombinacji trójkowych czterech zasad. Kod został złamany.
Eksony i introny
Nie cały DNA genu jest wykorzystywany do wytworzenia białka. Części, które mają znaczenie, są zwane eksonami. Są one poprzetykane odcinkami DNA niekodującego, intronami, które nie niosą zawartego przepisu na białko w genie. Podczas gdy cały DNA ulega skopiowaniu na mRNA, introny są usuwane za pomocą specjalnych enzymów, a eksony są wycinane i składane w porządku odpowiednim dla białka. Dobrą analogią tego procesu jest film wyświetlany w telewizji. Sceny, które chcesz obejrzeć, są eksonami,
ale są one przerywane reklamami – intronami, które nie są częścią oglądanej historii. I jeśli nagrałeś całość, możesz przewinąć reklamy, żeby obejrzeć cały film na raz.
Ponieważ istnieją 64 możliwe tryplety zwane „kodonami”, a tylko 20 aminokwasów, niektóre aminokwasy są określane przez więcej niż jeden. Na przykład fenyloalanina jest wytwarzana nie tylko na podstawie kodonu UUU, ale także na podstawie kodonu UUC. Istnieje sześć sposobów uzyskania aminokwasu leucyny, seryny i argininy. Tylko dwa z 20 aminokwasów są określane przez unikatowe kodony: tryptofan (UUG) i metionina (AUG). AUG jest także „kodonem start”, nakazującym rybosomowi, aby zaczął dodawać aminokwasu, co oznacza, że większość białek zaczyna się od metioniny. Istnieją także trzy „kodony stop” – UAA, UAG lub UGA, które informują rybosom: „to białko jest już skończone”.
System nie jest tak prosty, jak mógłby być. Crick, w rzeczywistości, najpierw zaproponował bardziej elegancki kod 20 możliwych trypletów – po jednym dla każdego aminokwasu. Wersja stworzona przez naturę nie jest tak stylowa, chociaż ze względu na swoją nadmiarowość ma zalety.
‘Właściwie wydaje się pewne, że pojedynczy łańcuch RNA może działać jako informacyjny RNA. ’
Francis Crick
Fakt, że najistotniejsze aminokwasy mogą być określane przez wiele różnych kodonów, daje odporność na mutacje. a przykład glicynę można zapisać za pomocą GGA, GGC, GG lub GGU. Jeśli mutacji ulegnie ostatnia zasada, produkt pozostanie taki sam.
Ogranicza to możliwości katastrofalnych błędów kopiowania, które mogłyby narazić na szwank cały organizm. W ten sposób około ¼ wszystkich możliwych mutacji w rzeczywistości wszystkich możliwych mutacji jest „synonimiczna” i działanie doboru naturalnego oznacza, że wciąż większa część tych, którzy przetrwa ją – około 75% – nie ma wpływu na funkcjonowanie białka. Kod genetyczny jest językiem „Złotowłosej”4 – zróżnicowanie, jakie oferuje, nie jest za duże ani zbyt małe, ale odpowiednie dla ewolucji.
MYŚL W PIGUŁCE
Kod jest zapisany w trójkach
Jeremy Rifkin: „Społeczeństwo powinno zrozumieć, że nowe technologie, zwłaszcza rekombinowanie DNA, pozwolą naukowcom na obejście ograniczeń biologicznych”.
LINIA CZASU
1927
Hermann Muller (1890–1967) sugeruje, że materiałem genetycznym można manipulować w celu wywołania mutacji
lata 60. XX wieku
Werner Arber (ur. 1929) odkrywa enzymy restrykcyjne
1970
Hamilton Smith (ur. 1931) odkrywa pierwszy enzym restrykcyjny specyficzny dla sekwencji DNA
1973
Hermann Muller (1890–1967) sugeruje, że tworzą Genentech, pierwszą firmę biotechnologiczną w dziedzinie inżynierii genetycznej
1975
Na konferencji w Asilomar tworzone są protokoły bezpieczeństwa badań z wykorzystaniem rekombinowanego DNA
Dobry kod jest nie tylko po to, by go złamać i odczytać. Można go wykorzystać w celach bardziej kreatywnych. Jeśli kod życia można poznać, to potencjalnie można go zmieniać i nim manipulować.
Hermann Muller podczas napromieniowywania swoich muszek owocowych w latach 20. XX wieku zdał sobie sprawę, że wprowadzanie zaplanowanych mutacji może pozwolić ludzkości na prowadzenie ewolucji w wybranym kierunku. Odkrycie podwójnej helisy i złamanie kodu genetycznego oznaczało, że można to osiągnąć w sposób precyzyjny: zamiast czekania ma wywołaną promieniowaniem X mutację o użytecznej funkcji, prawdopodobnie chromosomy i geny można projektować, mając w zamyśle konkretne funkcje. W planie była teraz inżynieria genetyczna.
Czym innym jest jednak wyobrażenie sobie inżynierii genetycznej, a czym innym wprowadzenie jej w życie. Inżynier, niezależnie od rodzaju, jest niczym bez swoich narzędzi, a trypletów DNA nie można składać za pomocą kleju i nożyczek. Odkrycie w latach 70. XX wieku molekularnego „kleju i nożyczek” – serii enzymów, które można było wykorzystać do pisania i kopiowania genów, wycinania ich i wkładania ich do genomu – spowodowało, że inżynieria genetyczna przestała być fantastyką naukową, a stała się rzeczywistością. Naukowcy mogli od teraz bawić się w Boga, tworzyć nowe kombinacje DNA, które nigdy wcześniej nie istniały w naturze.
Nożyce molekularne Pierwsze odkryte narzędzia należały do klasy białek zwanych enzymami restrykcyjnymi, które niekiedy nazywano nożycami molekularnymi. Bakterie wykorzystują te związki chemiczne do „zatrzymywania” bakteriofagów, które je infekują, dzięki rozpoznawaniu pewnych sekwencji DNA ich najeźdźcy i szatkowaniu go w tych miejscach.
Proces, po raz pierwszy opisany przez szwajcarskiego mikrobiologa Wernera Arbera w latach 50. XX wieku, miał oczywisty potencjał do wykorzystania w genetyce. Skoro enzymy te rozpoznają specyficzne kawałki DNA, można je wykorzystać do cięcia go na fragmenty w specyficznych miejscach. W 1972 roku amerykański mikrobiolog Hamilton Smith zidentyfikował enzym restrykcyjny wytwarzany przez bakterię Haemophilus influenzae, który właśnie to robił, atakował faga zawsze w takim samym ciągu sześciu par zasad.
Obecnie znamy ponad 3000 enzymów restrykcyjnych, a każdy specjalizuje się w jakiejś sekwencji DNA. Są one podstawą inżynierii genetycznej, pozwalając naukowcom na składanie genów i części genów. Jeśli wiadomo, że gen zaczyna się jedną sekwencją DNA, a kończy inną, do wycięcia go można wykorzystać dwa specyficzne enzymy restrykcyjne.
Rekombinowany DNA Podczas gdy do cięcia DNA można wykorzystać enzymy restrykcyjne, enzymów zwanych ligazami można użyć do ponownego jego posklejania. Jeśli enzymy restrykcyjne są molekularnymi nożycami, to ligazy są molekularnym cementem lub klejem. Rozmaite pocięte fragmenty można połączyć ze sobą i włożyć do genomu innego organizmu. Wynik jest znany pod nazwą rekombinowanego DNA – sekwencji, która została stworzona przez rekombinację segmentów w laboratorium.
Pierwszy rekombinowany DNA stworzył w latach 70. XX wieku amerykański biochemik Paul Berg, który połączył ze sobą części małpiego wirusa SV40 i bakteriofaga. Pierwotnie planował wprowadzić taki genetycznie zmodyfikowany wirus do bakterii E. coli i pozwolić mu na replikację. Powstrzymał się jednak. SV40 jest nieszkodliwy dla człowieka, lecz co, jeśli inżynieria genetyczna to zmieniła? Wiadomo było, że SV40 przyczynia