Efter fire milliarder år er livets kode begyndt at skrumpe

Alle levende organismer indeholder genetisk information i form af en DNA-kode. Det er der efterhånden ikke meget nyhedsværdi i. 

Men kun få er klar over, at den genetiske kode er næsten universel og læses på samme måde i næsten alt liv på Jorden! 

Sådan var det i hvert fald indtil dette forår, hvor en livsform med en lidt anderledes genetisk kode skød frem. Den lille bakterie kom til verden i et laboratorium i den engelske by Cambridge, til stor glæde og festivitas for os involverede forskere. 

For perspektiverne i sådan en genetisk outsider er vidtrækkende og strækker sig fra biosikkerhed til udvikling af nye enzymer. Men mest banebrydende er det dog, fordi det viser, at det er muligt at designe og bygge hele genomer og derved skræddersy mikroorganismer. 

Det er første gang, at det er lykkedes at lave en levende organisme med et helt syntetisk genom og en komprimeret genetisk kode. Da bakterien er af arten Eschericia coli (kolibakterie) – en almindelig bakterie i vores tarmflora – døbte vi den E. coli Syn61.

Den næsten universelle kode

Enhver organisme har et genom, der bærer den genetiske information fra generation til generation. Det er livets opskrift, der instruerer cellen i, hvordan og hvornår den skal lave alle sine proteiner.

Mens genomet bærer informationen, fungerer proteinerne (for eksempel enzymer) som arbejdere, der udfører de fleste funktioner i cellen.

Genomet består af DNA, som er opbygget af de fire baser adenin, cytosin, guanin, og thymin. 

Når cellen læser sit DNA, afkoder den tre baser ad gangen, og dermed indeholder DNA koden 4x4x4=64 kombinationsmuligheder, kaldet codoner. 

Disse codoner koder for 20 aminosyrer, som cellen sætter sammen til lange aminosyre-kæder, bedre kendt som proteiner. Hvis vi sammenligner den genetiske kode med vores skriftsprog, er DNA-koden et alfabet med 64 bogstaver, og alfabetet beskriver 20 forskellige lyde. 

Det er intet mindre end forunderligt, at næsten alt liv i vores biosfære – lige fra bakterier til rosenkål og mennesker – bruger præcis samme genetiske kode. 

Den næsten universelle kode

Når jeg skriver næsten alt liv, er det, fordi at der ud af Jordens 1,3 millioner kendte arter er et par håndfulde af mikroorganismer, der afkoder en eller to codoner lidt anderledes. 

Men det er også det hele – den genetiske kode er næsten universel. 

Hvor fascinerende det end er, er forklaringen simpel: Afkodningen af genetisk information er den mest vitale funktion i cellen og en nødvendighed for evolution. 

Så snart koden var etableret i urtidens celle, blev den en fundamental brik i det udviklende liv og er derfor forblevet næsten uændret.

Et simplere liv

Tilbage til de 64 codoner. 61 af disse koder for de 20 aminosyrer, mens de resterende tre codoner signalerer, at proteinsekvensen er slut, ligesom et punktum. 

Med sådan en overflod af codoner er det klart, at der er flere, end der er brug for, og adskillige synonyme codoner koder for samme aminosyre. 

I analogien med vores skriftsprog svarer det til, at lyden 's' kan skrives med både S og Z. Det er derfor ikke en eksotisk idé at komprimere den genetiske kode, ligesom at erstatte alle Z'er med S'er i vores skriftsprog. 

Indtil for nyligt var det dog uklart, om en organisme kan leve med en komprimeret genetisk kode, eller om vigtig information ville gå tabt.

Amerikanske forskere nåede et stykke ad vejen

I 2013 lykkedes det for første gang amerikanske forskere at fjerne ét codon fra hele genomet. 

De fjernede den mest sjældne codon i E. coli, som kun bruges cirka 300 gange i bakteriens arvemasse. Med så få tilfælde var det muligt at udskifte dem én efter én i den levende bakteries genom. 

Denne fremgangsmåde kan desværre ikke uden videre bruges til at lave livets kode endnu simplere, da de resterende codoner er langt mere hyppige, og det vil derfor tage meget lang tid at fjerne dem én ad gangen.

Derfor var en ny strategi nødvendig for at komprimere den genetiske kode yderligere.

400 stykker DNA direkte fra fabrikken 

Løsningen er simpel, i hvert fald i teorien: I stedet for at lave små ændringer i genomet inde i E. coli, er det lettere at bygge et helt nyt genom med de ønskede ændringer og putte det ind i bakterien bagefter. 

Sådan en øvelse er prøvet én gang tidligere, da det lykkedes forskere i 2010 at syntetisere og flytte et helt genom, der var én million baser langt.

E. coli-bakteriens genom er fire millioner baser, så skriver vi DNA-sekvensen på et stykke papir, får vi en tekst, der er ca. 650 gange længere end denne artikel. 

Med hjælp fra en computer designede vi en udgave af dette genom med en komprimeret genetisk kode: Det vil sige, at tre af de 64 codoner var taget ud og erstattet med deres synonymer.

Disse codoner fandtes 18.214 gange, og vi måtte derfor udskifte 1,5 procent af hele det oprindelige genom.

Teksten med det nye 61 codon-genom blev sendt til en fabrik i Kina, der producerede DNA'et i 400 stykker. Herefter tog det knap to år at samle stykkerne i større sektioner og udskifte genomet i E. coli med disse sektioner én ad gangen, altså lidt af et puslespil.

Det endelige genom er ’syntetisk’, fordi DNA’et er lavet på en fabrik, og dermed kan vi diktere den eksakte DNA-sekvens. Men DNA’et i sig selv er – ligesom DNA i alle andre organismer – stadig det naturlige materiale.

Vores forskning åbner for nye funktioner

E. coli Syn61 vokser og deler sig i en petriskål i laboratoriet, omend den gror lidt langsommere end sit ophav. 

Men den lille genetiske outsider kan bruges til flere gode formål, for eksempel at designe og bygge enzymer med helt nye egenskaber.

Gennem evolutionen har livet skabt en overdådig mangfoldighed af enzymer, der får alle kemiske processer i cellen til at forløbe. Denne diversitet er opnået på trods af, at livet har været begrænset til 20 byggesten, aminosyrerne, som har hver deres form og funktion. 

E. coli Syn61 har tre tomme codoner, og de kan bruges til at kode for nye aminosyrer med interessante kemiske egenskaber. Ligesom at opfinde en ny lyd for Z og dermed skrive ord, der ikke tidligere kunne skrives. 

Sådanne aminosyrer kan for eksempel ændre form og funktion, når de bestråles med ultraviolet lys. Eller de kan bære et unikt kemisk 'håndtag', der ikke findes andre steder i cellen.

Det er også værd at bemærke, at denne bakterie er sikrere at arbejde med, da den genetisk set er isoleret fra resten af verden. 

To computere med forskellige styresystemer kører ikke de samme programmer og bliver ikke ramt af samme vira. Ligeledes danner E. coli Syn61 en platform for et lukket biologisk system, der ikke bliver inficeret med eksisterende vira og ikke kan sprede genetisk materiale såsom antibiotikaresistens.

Vi omskriver DNA som en computerkode

Med rationelt design og lidt ingeniørkunst er det altså muligt at omskrive den genetiske kode af 64 codoner, selvom den er næsten universel og forblevet uændret i milliarder af år. 

Det viser, at vi efterhånden forstår en simpel bakteries arvemateriale så godt, at vi kan begynde at behandle DNA-koden, ligesom en computerkode. 

Her har vi blot ændret 1,5 procent af DNA-sekvensen, men vi har syntetiseret hele genomet og ændret den basale kode, og det giver optimisme for fremtidens bioteknologi.

Vi vil snart se mikroorganismer, der er skræddersyet til at løse specifikke opgaver, men mangler mange af deres naturlige funktioner.

Man kan for eksempel forestille sig organismer, der kan nedbryde og leve af plastik, men ikke er i stand til at overleve frit i naturen.

Eller mere komplicerede systemer, såsom en tarmbakterie, der producerer og leverer insulin efter behov.

Det bliver rigtig spændende!

Julius Fredens forskning er støttet af Det Frie Forskningsråd og Lundbeckfonden.