DNAren erabilera ezkutuak

Azido desoxirribonukleikoa, a ze aho-korapiloa! Ahoan bakarrik ez, korapilatsua ere bada gure zeluletan hartzen duen egitura, mikrometro kubiko gutxi batzuetan bi metroko luzera har dezakeen DNA sartzen baita. Hala ere, imajina dezakegun irudia urruti dago DNAk aurkezten duen ordenatik, txukun-txukun atontzen baita zelularen nukleoan, DNA eratzen duten lau letrez osatutako argibide konplexuekin (1. irudia).

1. irudia. DNAren egituraketaren irudikapena. Arg. Educ.ar / CC-BY-SA

Adituen arabera, bizitzarako ezinbestekoa den molekula duela milaka milioi urte sortatu zen naturan; eta aurreko mendearen hasiera arte ez ziren identifikatu haren lau errepikapen-unitateak: adenina (A), guanina (G), zitosina (C) eta timina (T). Geroago, XX. mende erdialdean-edo, DNAren egitura ohikoena deskribatu zen: helize bikoitza. Harrezkero, azido nukleikoen ikerkuntzak argiaren abiada hartu eta izugarri garatu da, harik eta mende bukaeran DNA-nanoteknologiaren ikerketa-eremua ernatu arte. Jada, DNA ez zen soilik izaki bizidunen ezinbesteko osagaia izango, beste aplikazio ez- biologiko anitzetako material ere bihurtuko zen^[1].

DNAren ahalmenak

Lehenengo proposamena DNA naturaz kanpo aplikatzea izan zen, nanoegiturak osatzeko. Izan ere, DNAk oso modu espezifikoan, hidrogeno-zubien bitartez, sortzen ditu loturak bere kateen artean: A letrak T letrekin eta G letrak C letrekin elkarlotuz. Horrek nanoeskalako zehaztasunarekin diseinatzea ahalbidetzen du, eta horren adibide DNAren origami-teknika dugu^[2]. Duela hamarkada bat aurkeztu zen teknika hori, eta ordenagailu-programa sinple bat eta DNAren loturak kontuan edukita, nahi ditugun eraikuntzak sor daitezke, 2. irudian ikusten den bezala. Hala ere, DNA ez da nanoegiturak sortzeko adreilu sinple bat, haren letren artean beste funtzio batzuk ere aurkitzen dira.

Imajinatu etxe bat eraiki nahi duzula material-mota bera erabilita, baina zuk nahi duzun adreilu-multzoek zeregin espezifiko bat egin dezaten, esaterako, aireko patogenoak harrapatzea. Horrelakoak DNAz sortutako nanoegiturekin egin daitezke. Hain zuzen ere, DNAk ahalmena dauka molekulak edo makromolekulak espezifikoki antzemateko, eta guk nahi dugun konposatua antzemateko diseina dezakegu. Nola ote da posible? Esan bezala, DNAk bakarrik lau errepikapen-unitate mota ditu: A, G, C eta T. Baina letra horien ordena eta sekuentziaren luzera aldatuta, konbinazio mugagabeak lor ditzakegu. SELEX prozedura erabilita^[3], gure helburu den molekularekin loturak sortuko dituen sekuentzia bat eskura dezakegu.

2. irudia. DNAren origami-teknika erabiliz eskala nanometrikoan sortutako irudien argazkia[2]. Arg. Nature

Antzemateko gaitasuna duen DNA-motari aptamero esaten zaio, eta, horrez gain, DNAk badauka beste aparteko gaitasun bat ere: erreakzio kimikoak azkartzekoa. Azken horiei DNA entzimak edo DNA katalitiko deritze, eta, aptameroekin bezala, SELEX prozedurarekin, erreakzio-baldintza bakoitzerako beharrezkoa den sekuentzia lortzen da. Aptameroak eta DNA entzimak DNA funtzionalaren taldean sartzen dira, eta asko handitzen dute nanomaterial gisa DNAk duen balioa. Hala eta guztiz ere, DNA ez da material perfektua; izan ere, naturan beharrezkoak diren zenbait propietatek mugak ezar diezazkiokete DNA nanoteknologikoari.

Hain zuzen ere, DNA molekula kargadun bat da, karga negatiboa dauka fosfato-taldeen ondorioz, eta kontraioiak behar ditu konformazio egonkorra edukitzeko. Bestalde, DNA azkar degradatzen da ur-ingurunean edo aireko entzimen presentzian. Zelula barnean, DNA oso ingurune kontrolatuan dago, non uraren aktibitatea eta beste molekulekiko kontaktua mugatuak baitira; edonola ere, bestelako aplikazioren bat ematen zaionean, egun edo hilabete gutxitan gal liteke lagina. Bestalde, uraz gain, DNA disolbatzaile gutxi batzuetan da egonkorra eta funtzionala, jakina baita ura eta bizitza harreman estuan izan direla beti gure planetan.

3. irudia. Ezkerrean, azido nukleiko sintetiko baten errepikapen-unitatea. Eskubian, DNArena. Arg. Egileek egina.

Aipatutako mugak partzialki gaindi daitezke, baina oraindik ikerketa asko eta asko dago garatzeke. Bi ikerketa-eremu daude naturak aurreikusi gabeko egoerei aurre egiteko: DNA disolbatuta dagoen ingurunea eraldatzea edo DNAren egituran aldaketak egitea. Lehenengoari dagokionez, uraren aktibitatea gutxitzen saiatzen da zelularen ingurunea simulatuta^[4] edo beste disolbatzaile batzuk erabilita, likido ionikoak adibidez^[5]. Bestalde, bi azido nukleiko mota daude naturan, DNA eta azido erribonukleikoa (RNA). Aurreko hamarkadan, lehenengo azido nukleiko sintetikoak^[6] aurkeztu ziren solbatazio- eta degradazio-arazoei aurre egiteko (3. irudia); halere, kostu ekonomiko handiaren arazoak hortxe dirau, eta errazagoa izan ohi da DNA-molekulan aldaketa kimikoak egitea, azido nukleiko berri bat erabiltzea baino.

DNAren erabilera biologia-eremutik kanpo

Gaur egun, aplikazio gehienak medikuntzakoak dira, besteak beste, DNA-nanoegituren eta -nanopartikulen batura gorputz barruan medikamentuak garraiatu eta administratzeko edo markatzaile biologiko gisa erabiltzen dira aptameroak. Edonola ere, DNAren erabilerak, biologiaz aparte, beste eremu askotan du zeresana.

Indarrak batzean sortzen da aparteko ahalmena, eta DNAren egitura-propietateak eta hautemate- zein katalisi-ahalmenak batzean lortzen ditugu beste material batzuekin lortu ezin diren aplikazioak, esaterako, estimulu-erantzun mintzetan. Mintzak bi ingurune banatzen dituen material porotsuak dira. Prozesu industrial espezifikoetan mintzen poroen tamaina nanometro gutxi batzuetakoa izanik, oso interesgarria izan ohi da poroak nahieran ireki eta itxi ahal izatea. Normalean, poroak ixteko ingurune guztian aldaketak egin behar dira: pH-an, tenperaturan, presioan, etab. Baina DNA-diseinuei esker, eragile lokal bat erabil daiteke poroen iragazkortasuna kontrolatzeko. Zehatzago: poroetan, aptameroz osatutako nanoegiturak jar daitezke, molekula espezifiko batekin poroa itxi eta irekitzeko, DNAren konformazioa aldatu egiten baita molekula hautematerakoan^[7] (azaleko irudia).

DNA entzimek, aipatu bezala, erreakzio kimikoak azkartzen dituzte, eta, gainera, kiralitatea ere eragiten du, katalisi asimetrikoa deitutakoa erdiesteko. Katalisi-mota hori oso garrantzitsua da, eta eskari handia du merkatuan, konposatu kimiko asko enantiomeroak baitira. Molekula baten enantiomero-bikote batean, bata bestearen ispilu-irudia izango litzateke eta ezin izango lirateke gainjarri (gure bi eskuekin gertatzen den bezala). Afera da ispiluan dagoen irudietako batek oso aplikazio interesgarriak izan ohi dituela, eta besteak ez; beraz, askoz egokiagoa da zuzenean enantiomeroetako bat bakarrik sintetizatzea, gero biak banatu behar izatea baino. Duela urte andana badakigu katalisi asimetrikoa lortzeko proteinak darabiltzala naturak, eta, joan berri den hamarkadan, Feringa Nobel saridunaren taldeak honako aurkikuntza hau egin zuen: DNA zeregin horretarako ere erabil daiteke, haren helize bikoitzaren kiraitateari esker^[8].

4. irudia. DNAzko disko gogorra egiteko asmoarekin Microsoftek sortutako lehen makina automatizatua[9]. Arg. Microsoft / CC-BY-SA

Kimika eta biokimikaren eremutik aldentzean, DNA funtzionalarekin egiten den ikerketa murrizten doa, baina interes handia dago nanoegiturak sortzeko eta informazioa gordetzeko DNAren erabileran. Gure informazio pertsonala silizezko txipak edo zinta magnetikoak dituzten disko gogorretan gordetzen da. Tamaina jakin batean gorde daitekeen datu-kopurua ikaragarri igo da azken urteetan, eta muga jakin batera gerturatzen ari gara non, fisikoki ezinezkoa izango den trinkotze hori areagotu. DNA, berriz, material askoz dentsoagoa da datuak gordetzeari dagokionez: gramo batean bi petabyte inguru sartu ahal izango lirateke, alegia, gramo gutxi batzuetan Interneten dauden eduki guztiak izango genituzte. Eta edonola ere, teoriatik praktikara lan eskerga dago. Egun, Microsoft eta Catalog enpresak dira aplikazio horretan inbertsio handienak egiten ari diren enpresak; eta oraingoz lehen pausoak baino eman ez diren arren, aurkeztu dute dagoeneko DNAz egindako lehen disko gogorra^[9] (4. irudia).

Jakintza-alor anitzeko ikerketari esker, ate asko daude oraindik irekita DNAren aplikazioak garatzeko, nanoegitura sendoagoak eraikitzeko eta aptameroen edo DNA entzimen gaitasunei etekin gehiago ateratzeko. Azido nukleikoen korapiloak ahoan bilo bilaka ez dakizkigun, ikertzen jarraitu beharra dago, bizitzarako beharrezkoa den material honek zer esan handia baitauka zeluletatik kanpo ere, eta gure esku dago korapiloak askatu eta aukerak profitatzea.

Bibliografia

[1] Seeman, N. C., & Sleiman, H. F. (2017). DNA nanotechnology. Nature Reviews Materials, 3. DOI: 10.1038/natrevmats.2017.68

[2] Rothemund, P. W. K. (2006). Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature, 440(7082). DOI: 10.1038/nature04586

[3] Wang, T. & Veedu, R. N. (2019). Three decades of nucleic acid aptamer technologies: Lessons learned, progress and opportunities on aptamer development. Biotechnology Advances, 37, 28–50. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2018.11.001

[4] Nakano, S., Miyoshi, D., & Sugimoto, N. (2014). Effects of Molecular Crowding on the Structures, Interactions, and Functions of Nucleic Acids. Chem. Rev., 114, 2733–2758. DOI: 10.1021/cr400113m

[5] Olave, B., & Schäfer, T. (2018). CHAPTER 17 Functional DNA in Ionic Liquids. In Ionic Liquid Devices (pp. 423–444). The Royal Society of Chemistry. DOI: 10.1039/9781788011839-00423

[6] Holliger, P. et. al. (2019). A synthetic genetic polymer with an uncharged backbone chemistry based on alkyl phosphonate nucleic acids. Nature Chemistry. DOI: 10.1038/s41557-019-0255-4

[7] Schafer, T., & Ozalp, V. C. (2015). DNA-aptamer gating membranes. Chemical Communications, 51(25), 5471–5474. DOI: 10.1039/C4cc09660f

[8] Feringa, B. L. et al. (2010). Catalytic enantioselective syn hydration of enones in water using a DNA-based catalyst. Nature Chemistry, 2(11), 991–995. DOI: 10.1038/nchem.819

[9] https://youtu.be/tBvd7OSDGgQ , https://www.youtube.com/watch?v=60Gi5lqL-dA