آنزیم RNA پلیمراز اشرشیا کلی با موفقیت الفبای مصنوعی هشت‌حرفی دی‌ان‌ای را رونویسی می‌کند

برای دهه‌ها، یک فرض محوری در زیست‌شناسی مولکولی این بود که شیمی حیات به شدت توسط چهار باز طبیعی دی‌ان‌ای — آدنین (A)، تیمین (T)، سیتوزین (C) و گوانین (G) — و پیوندهای هیدروژنی خاصی که آن‌ها را در کنار هم نگه می‌دارند، محدود شده است.

دیدگاه مخالف، که توسط زیست‌شناسان مصنوعی حمایت می‌شد، استدلال می‌کرد که کد ژنتیکی صرفاً یک داربست شیمیایی است. آن‌ها فرض می‌کردند که اگر مولکول‌های مصنوعی بتوانند هندسه جفت بازهای طبیعی را تقلید کنند، ماشین‌آلات سلولی صرف نظر از ساختار شیمیایی، آن‌ها را به همان شکل پردازش خواهند کرد.[4]

اکنون، شواهد ساختاری با وضوح بالا این بحث را فیصله داده است. در دو مطالعه که در اواخر تابستان ۲۰۲۶ منتشر شد، محققان دانشگاه کالیفرنیای سن دیگو نشان دادند که RNA پلیمراز اشرشیا کلی — آنزیمی که مسئول خواندن دی‌ان‌ای و سنتز RNA است — می‌تواند یک الفبای ژنتیکی گسترش‌یافته و هشت‌حرفی را به دقت رونویسی کند.[1][2]

این سیستم گسترش‌یافته، که به عنوان دی‌ان‌ای هاچیموجی شناخته می‌شود (از کلمات ژاپنی به معنای «هشت» و «حرف» گرفته شده است)، با معرفی چهار نوکلئوتید مصنوعی: P، Z، B و S، کد ژنتیکی طبیعی را دو برابر می‌کند.[1]

در مطالعه‌ای که در ۲ سپتامبر در نشریه «نیچر کامیونیکیشنز» منتشر شد، تیم تحقیقاتی به رهبری دونگ وانگ، از میکروسکوپ الکترونی کرایوژنیک برای ثبت عملکرد آنزیم باکتریایی در حین رونویسی جفت بازهای مصنوعی استفاده کردند.[2]

تصاویر ساختاری، که با وضوح بین ۲٫۴۲ تا ۲٫۷۵ آنگستروم به دست آمدند، نشان دادند که RNA پلیمراز حروف مصنوعی را با استفاده از دقیقاً همان سیگنال‌های بیوشیمیایی و ساختاری که برای دی‌ان‌ای طبیعی به کار می‌برد، تشخیص می‌دهد. جایگاه فعال آنزیم پیکربندی مناسب برای کاتالیز را اتخاذ می‌کند و بازهای مصنوعی را به طور یکپارچه در رشته RNA در حال رشد جای می‌دهد.[2]

وانگ اظهار داشت: «با گسترش کد ژنتیکی، می‌توانیم مولکول‌های جدیدی خلق کنیم که قبلاً دیده نشده‌اند و راه‌های جدیدی را برای ساخت پروتئین‌ها به عنوان مواد درمانی کشف کنیم.»[1]

انعطاف‌پذیری ماشین‌آلات رونویسی حتی فراتر از تقلید هندسی است. در یک مطالعه مکمل که در ۱۲ آگوست در «پروسیدینگز آو نشنال آکادمی آو ساینسز» منتشر شد، همین تیم نشان داد که RNA پلیمراز می‌تواند یک جفت باز غیرطبیعی آبگریز — معروف به Ds:Pa — را پردازش کند که کاملاً فاقد پیوندهای هیدروژنی است که معمولاً برای نگه داشتن رشته‌های دی‌ان‌ای در کنار هم مورد نیاز است.[3]

مطالعه PNAS آنزیم را با وضوح ۳٫۲۰ آنگستروم ثبت کرد و نشان داد که جفت آبگریز Ds:Pa یک هم‌ترازی لبه به لبه ایجاد می‌کند. «حلقه ماشه‌ای» آنزیم — یک عنصر ساختاری حیاتی برای کاتالیز — به طور کامل دور جفت مصنوعی بسته می‌شود و ثابت می‌کند که پیوند هیدروژنی یک پیش‌نیاز سختگیرانه برای رونویسی نیست.[3]

با این حال، این فرآیند کاملاً متقارن نیست. داده‌های سینتیکی نشان داد که آنزیم نوکلئوتید مصنوعی Ds را بسیار کارآمدتر از جفت آن، Pa، در خود جای می‌دهد. به طور مشابه، مطالعه نیچر کامیونیکیشنز اشاره کرد که جفت باز مصنوعی P:Z با سرعتی تقریباً دو برابر کندتر از جفت G:C طبیعی رونویسی می‌شود.[2][3]

با وجود این محدودیت‌های سرعت سینتیکی، دقت کلی بالا باقی می‌ماند. این یافته‌ها اولین اثبات ساختاری را ارائه می‌دهند که یک سیستم ژنتیکی موازی و جایگزین می‌تواند به طور کامل توسط آنزیم‌های طبیعی سلولی پشتیبانی شود.[1][4]

این مبنای ساختاری، زیست‌شناسی مصنوعی را به کاربردهای عملی نزدیک‌تر می‌کند. با اثبات اینکه سلول‌های زنده می‌توانند یک کد هشت‌حرفی را پردازش کنند، محققان اکنون می‌توانند الگوهای دی‌ان‌ای مصنوعی طراحی کنند که به سلول‌ها دستور می‌دهند اسیدهای آمینه جدید، ابزارهای تشخیصی پیچیده و درمان‌های هدفمند سرطان را تولید کنند که الفبای چهارحرفی طبیعی هرگز نمی‌توانست آن‌ها را کدگذاری کند.[1][4]