Cztery miliardy lat temu, gdy na Ziemi powstawały pierwsze żywe cząsteczki, w atmosferze nie istniała ochronna warstwa ozonowa. Oznacza to, że ówczesne biostruktury musiały być wyjątkowo odporne na działanie promieniowania UV. Według polsko-czesko-brytyjskiego zespołu naukowców, pierwsze ziemskie genomy mogły cechować się niezwykłą odpornością na fotouszkodzenia, dzięki obecności w nich szczególnej zasady azotowej, czyli 2-aminoadeniny. Ustalenia te zostały opublikowane na łamach czasopisma Nature Communications. Głównymi autorami publikacji są laureaci programu START Fundacji na rzecz Nauki Polskiej: dr inż. Rafał Szabla i dr Magdalena Zdrowowicz-Żamojć.

DNA wszystkich obecnie żyjących organizmów zawiera cztery rodzaje zasad azotowych: guaninę (G), cytozynę (C), tyminę (T) i adeninę (A). Pojedyncza cząsteczka DNA składa się z dwóch nici, połączonych ze sobą w strukturę zwaną podwójną helisą. Za powstanie podwójnej helisy odpowiada wiązanie się w selektywne pary zasad leżących na obu niciach: guanina zawsze łączy się z cytozyną, a tymina z adeniną. W przypadku RNA mamy do czynienia z prawie identycznym „alfabetem”, choć zamiast tyminy występuje uracyl (U). Już w 1977 roku odkryto, że w genomie pewnego wirusa atakującego cyjanobakterie (zwane też sinicami) zamiast adeniny występuje nieco zmodyfikowana jej wersja czyli 2-aminoadenina (Z). Genom tego wirusa nazwano genomem Z. Kilka lat później udowodniono, że obecność 2-aminoadeniny przynosi wirusowi spore korzyści w postaci większej oporności na mechanizm obronny cyjanobakterii. A konkretnie na działanie nukleaz, czyli enzymów wydzielanych przez bakterie i tnących DNA wirusa na kawałki.

Powszechny w świecie wirusów

Przez kolejne trzy dekady gemom Z nie wzbudzał większego zainteresowania wśród naukowców. Aż do teraz traktowany był raczej jako odosobniony przypadek. Ostatnio jednak niemal w tym samym czasie na łamach Science ukazały się trzy publikacje dowodzące, że tzw. genom Z, w skład którego wchodzi właśnie 2- aminoadenina, występuje u wielu współczesnych wirusów. „Zbieżność czasowa tych odkryć jest dla nas ogromnie zaskakująca i bardzo ważna” – mówi dr inż. Rafał Szabla.

Badania opublikowane w Science dowodzą, że genom Z jest znacznie bardziej rozpowszechniony niż dotychczas sądzono. Wykryto go w ponad 200 różnych typach bakteriofagów, czyli wirusów atakujących bakterie. Naukowcy odkryli również białka enzymatyczne umożliwiające tworzenie genomu Z w replikujących się cząstkach wirusowych. Białka te nazwano PurZ, PurB i DpoZ. Szczególnie interesujące okazało się wykrycie obecności 2-aminoadeniny we fragmentach meteorytu, który spadł na Antarktydę w 1969 roku. Może to sugerować kluczową rolę genomu Z w ewolucji życia na Ziemi.

Decydująca samonaprawa

Potencjalna rola 2-aminoadeniny w powstawaniu życia na Ziemi to temat, któremu przyglądają się polscy naukowcy we współpracy z zespołami z Czech i z Wielkiej Brytanii. „Wykazaliśmy, że 2-aminoadenina (inaczej nazywana 2,6-diaminopuryną) nadaje genomowi wyjątkową odporność na szkodliwe promieniowanie ultrafioletowe. Zasada ta naprawia fotouszkodzenia innych zasad azotowych budujących DNA, z bardzo dużą wydajnością, w podobny sposób jak robią to enzymy naprawcze. „Taka umiejętność samonaprawy DNA zapewne była kluczowa dla przeżycia na młodej Ziemi, gdy promieniowanie UV było niezwykle silne z powodu braku warstwy ozonowej w atmosferze” – wyjaśnia dr inż. Rafał Szabla. Co ważne, badacze pokazali zdolność 2-aminoadeniny do naprawy fotouszkodzeń DNA w tzw. warunkach prebiotycznych, czyli właśnie takich, jakie przypuszczalnie panowały na młodej Ziemi. Chodzi o tzw. zupę prebiotyczną (nazywaną też pierwotną), czyli mieszaninę najprostszych cząsteczek chemicznych, w której dzięki dostarczeniu odpowiednio dużej ilości energii (m.in. w postaci promieniowania UV) dochodzi do spontanicznej syntezy podstawowych cegiełek budujących życie, a następnie do ich powielania i łączenia się w większe polimery.

Od prahistorii w przyszłość

„Nasza praca jest bardzo interdyscyplinarna. Obejmuje ona: symulacje dynamiki molekularnej (za które odpowiadał zespół z Instytutu Biofizyki Czeskiej Akademii Nauk), obliczenia kwantowo-mechaniczne (wykonywane w Instytucie Fizyki PAN), naświetlania krótkich sekwencji DNA promieniowaniem UV (prowadzone przez grupę z Wydziału Chemii Uniwersytetu Gdańskiego pod kierunkiem dr Magdaleny Zdrowowicz-Żamojć) oraz prebiotyczną syntezę 2,6-diaminopuryny (za którą odpowiadał zespół z Laboratorium Biologii Molekularnej w Cambridge)” – podkreśla naukowiec.

Odkrycia związane z genomem Z i rolą 2-aminoadeniny są niezwykle fascynujące poznawczo, ale też mogą w przyszłości znaleźć praktyczne zastosowania. Ze względu na wysoką stabilność, genom Z może pomóc w leczeniu infekcji bakteryjnych z zastosowaniem bakteriofagów. Być może będzie go można wykorzystać przy projektowaniu nowoczesnych terapii genowych lub w biologii syntetycznej, której celem jest budowa sztucznych komórek funkcjonujących na alternatywnych elementach. Fotonaprawcze właściwości 2-aminoadeniny mogą znaleźć zastosowanie w nanotechnologii opartej na DNA. „2-aminoadenina zwiększa odporność termiczną oraz fotochemiczną podwójnej helisy DNA. Widzimy również, że umożliwia bardzo efektywny transfer elektronów po ekspozycji na promieniowanie UV. Wszystkie te właściwości mogą w przyszłości prowadzić do bardzo ciekawych zastosowań nanotechnologicznych” – podsumowuje dr inż. Rafał Szabla.

Dr inż. Rafał Szabla realizował stypendium START 2019 Fundacji Nauki Polskiej w Instytucie Fizyki PAN w Warszawie, obecnie jest wykładowcą na Uniwersytecie Edynburskim, a od lipca 2021 roku będzie związany z Politechniką Wrocławską, gdzie będzie kontynuował swoje badania nad uszkodzeniami i fotonaprawą pierwotnych form DNA i RNA w ramach grantu OPUS Narodowego Centrum Nauki.

Więcej informacji:

• Publikacja źródłowa: „2,6-diaminopurine promotes repair of DNA lesions under prebiotic conditions” Nature Communications 12, 3018 (2021).
• Skąd się wziął pomysł na badania i jak były one prowadzone – Behind the Paper

(Zdjęcie ilustracyjne_ fot. Pixabay)