Malĉifri la kodon de DNA

Neniu rolo havas tiom gravan rolon en filmoj kiel DNA. Ĝi estas uzata por trovi la krimulon, por revivigi dinosaŭrojn, aŭ por igi kutiman homon superheroo. Kvankam multaj el tiuj filmoj senpardone troigas la sciencan realecon, ili ofte baziĝas sur kerno de vero. La realeco tamen, povas esti multe pli mirinda ol filmoj. Kio DNA estas tamen kaj kiel modifi ĝin povas ŝanĝi organismojn?

DNA kiel molekulo

DNA estas granda, biologia molekulo. Estas malfacile imagebla kiel molekulo povas enteni genetikajn informojn, sed DNA estas ege kompleksa. Kutime, molekuloj havas fiksan strukturon, kiu ĉiam samas. Akvo ekzemple, konsistas el unu oksigena atomo kaj du hidrogenaj atomoj en fiksa Angulo. DNA uzas la fakton ke karbono povas krei ringojn kaj ĉenojn al sia avantaĝo kaj tiel formas molekulon, kiu enhavas miliardojn da atomoj. Grandskale, la strukturo aspektas kiel ŝtuparo kiu rondiras kiel helico. La ŝtuparo mem estas kreita el sukeroj kaj fosfatoj, kiuj donas strukturon al la molekulo. Inter la ĉenoj troviĝas paroj de nitrogenaj bazoj, kiuj reprezentas la veran kodon. Kune, la sukero (desoksiribozo), fosfato kaj nitrogenan bazo kreas polimeron (molekulĉenon), kiu nomiĝas DesoksiriboNukleata Acido: DNA.

Kio plej gravas por kompreni la kodon de DNA estas la nitrogenaj bazoj, ĉar ili estas la ”literoj” el kiu la kodo konsistas. DNA enhavas kvar malsamajn nitrogenajn bazojn. Iliaj nomoj estas mallongigataj al A, C, G kaj T. Pro tio ke A kaj T povas krei du ligojn, ili ĉiam estas trovataj kune, dum C kaj G, kiuj formas tri ligojn estas la alia paro. Tiel unu flanko de la DNA surhavas ekzakte la malon de la kodo de la alia flanko. La fakto ke DNA konsistas el du malaj ĉenoj gravas por la kopiado de la informoj, ĉar por tio oni duonigas la DNA kaj kreas du apartajn ŝablonojn. Aliaj molekuloj puŝas nitrogenajn bazojn kontraŭ tiuj strioj kaj nur se ĝi havas la ĝustan kvanton de ligoj, la bazo konektiĝas. La ĥemiaj kvalitoj de DNA kaj ĝiaj bazoj do sufiĉas por krei sistemojn kiuj kopias DNA.

^ Ĉi tio estas nur eta parto de la DNA molekulo

De geno al proteino al organismo

Genetikaj informoj troviĝas en la genoj. Geno ne estas aparta fizika molekulo, sed parto de la DNA-molekulo. Oni povus diri ke genoj estas kvazaŭ frazoj en la kodo, kiuj komenciĝas per majusklo kaj punkto. Pli laŭvorte tio signifas ke genoj komenciĝas kaj finiĝas per fiksaj sinsekvoj de bazoj, por ke la molekuloj kiuj kopias la DNA scias kie ili komencu la kopiadon. Ofte oni parolas pri genoj kiuj respondeblas pri okulkoloro, kiom facile muskoloj trejniĝas aŭ kiom agresema iu estas, sed ĝenerale tiaj ecoj estas tre kompleksaj kaj influataj de pluraj genoj. Anstataŭe, genoj plej ofte priskribas specifajn proteinojn. Tiuj estas grandegaj molekuloj kun specifaj taskoj en la korpo. Proteinoj povas doni strukturon al la ĉelo, faciligi transporton de molekuloj, aŭ plirapidigi ĥemiajn reagojn per kunigi molekulojn. La diverseco de proteinoj estas nekredebla kaj tute dependas de la strukturo de la molekulo. Kiam la kodo en la DNA do ŝanĝiĝas, la strukturo de la proteino povas ŝanĝiĝi, kio povas influi kiel la organismo aspektas aŭ funkcias. Kiel tiom kompleksa molekulo povas esti priskribata de tiom simpla kodo tamen?

^ Jen ekzemplo de la strukturo de proteino. Ĉi-kaze temas pri papaino.

Proteinoj kreiĝas el molekuloj, kiuj nomiĝas aminoacidoj. En biologio, dudek aminoacidoj estas uzataj, kiuj ĉiuj havas malsamajn kvalitojn. Ĉiu aminoacido havas unu aŭ plurajn kodojn. Glicino ekzemple, la plej simpla aminoacido, povas esti priskribata per la kodoj GGU, GGC, GGA kaj GGG. (ke la kodo enhavas U anstataŭ T rilatas al la kopiado de la DNA.) Tiuj triliteraj kodoj nomiĝas kodonoj kaj se la nitrogenaj bazoj estas la literoj de DNA, kodonoj estas la vortoj. Por konstrui proteinon, la geno kiu priskribas ĝin estu kopiata. Skipo de proteinoj respondecas pri la kopiado de DNA. Ĉi-kaze la rezulto de tiu procezo ne estas identa DNA-molekulo, sed molekulo de RNA. Tiuj molekuloj strukture multe similas al DNA, sed la gravaj diferencoj estas ke ili ne venas en paroj (nur unu ĉeno de sukero kun unuopaj bazoj) kaj ke ili uzas la bazon U anstataŭ T. RNA molekuloj estas multe pli etaj kaj kompaktaj ol DNA kaj do povas eskapi la ĉelkernon por iri al la ribosomoj, kie proteinoj kreiĝas. Ribosomoj estas etaj ”maŝinoj” en la ĉelo, kies tasko estas la ligado de aminoacidoj. La RNA eniras en unu flankon, kie kompleksa ĥemia sistemo legas la kodonojn kaj lasas nur la korespondantajn aminoacidojn ligi sin al la ĉeno. La ĉeno de aminoacidoj eliras de la alia flanko de la maŝino, kie ĝi faldiĝas por iĝi proteino. Pro la forta ligo inter DNA kaj proteinoj, etaj ŝanĝiĝoj en la kodo de la DNA povas kaŭzi grandajn ŝanĝojn en la organismo. Oni povus eĉ diri ke evoluo okazas el la perspektivo de DNA kaj proteinoj kaj ke la organismo mem estas nur ilo. Konkreta ekzemplo de tia molekula evoluo estas ke la proteinoj el kiuj kornoj, ungoj kaj haroj estas faritaj fakte estas pli-malpli la sama proteino. Tiu proteino nomiĝas keratino kaj konsistas el pluraj helicoj de aminoacidaj ĉenoj. Unu specifa aminoacido, cisteino, povas krei fortajn ligojn kun aliaj cisteinaj grupoj per sia sulfura atomo. Tiuj ligoj estas grava parto de la tridimensia strukturo de la proteino kaj ili donas forton. Homoj kies haroj enhavas malmulte da cisteino en sia keratino, havas tre flekseblajn, molajn harojn, dum homoj kiuj havas multe da cisteino havas malmolajn harojn. Kiam la keratino havas eĉ pli da cisteino, ĝi povas iĝi ekzemple korno. Multe pli da proteinoj tiel interrilatas kaj oni eĉ povas uzi la etajn diferencojn inter la proteinoj kiuj troviĝas en malsamaj organismoj por eltrovi kiel tiuj organismoj evoluis.

^ Ĝenerale proteinoj konsistas preskaŭ nur el ĉi tiuj 20 aminoacidoj. La bazo ĉiam samas, por ke ili povu formi ĉenon.

Aliaj pecoj de DNA havas pli kompleksajn rolojn tamen, kiujn oni ankoraŭ ne tro bone komprenas. Tre interesa kaj aktuala ekzemplo estas priskribata de la scienca kampo de ”Evo Devo” kaj temas pri pecoj de DNA kiuj gvidas la embrian kreskon. Per ŝanĝi la sinsekvon de tiu DNA oni povas krei organismojn kies korpopartoj troviĝas en la malĝusta loko, sed tute bone funkcias. La DNA do priskribas la lokon de iu korpoparto, sed ne kiel ĝi aspektu. Tiuj funkcioj de DNA estas tamen multe tro malsimplaj por priskribi ĉi tie.

DNA kaj medikamentoj

Nekredeble multaj malsanoj rilatas al DNA kaj proteinoj. La Alzheimer-malsano ekzemple estas ligita al la formiĝo de aroj da gluemaj proteinoj en la cerbo (Oni ne konsentas pri ĉu tio estas kaŭzo aŭ simptomo). Kanceroj estas la rezulto de ŝanĝiĝoj en la DNA kiuj igas ĉelon senfine dividi sin kaj virusoj estas rekonataj pere de antikorpoj, kiuj ankaŭ estas proteinoj. Bona kompreno de ĉi tiuj molekuloj do estas esenca por batali kontraŭ tiuj malsanoj. Diversaj teĥnikoj estas uzataj por fari tion kaj kelkaj estis freneze sukcesaj. Multaj homoj kiuj havas diabeton produktas malpli aŭ neniun insulinon. Tio estas proteino kiu gravas por malaltigi la koncentriĝon de glukozo en la sango. Historie oni uzis porkan insulinon por batali kontraŭ la malsano, sed akiri la insulinon estis malfacila kaj pro tio ke la insulino de porkoj estas iomete malsimila al tio de homoj (diferenco de unu aminoacido), la imuna sistemo povas severe reagi al ĝi. Hodiaŭ oni povas sufiĉe facile enmeti DNA kun specifaj genoj en bakteriojn kaj igi ilin krei la proteinojn kiujn oni volas. Tiel oni povas krei homan insulinon per bakterioj, kiujn oni povas facile kreskigi. Same oni uzas la DNA de kanceraj ĉeloj por vidi ekzakte kio paneis kaj kion oni povas fari kontraŭ la kancero de unu specifa persono. Ĉi tiaj teĥnikoj gravas, pro tio ke ĉiu kancero havas estas unika, do trovi universalan medikamenton estas preskaŭ neebla. Alia teĥnologio kiu promesas multon estas la CRISPR/Cas9 sistemo, kiu origine venas el bakterioj. Ĝi funkcias iusence kiel imunsistemo, ĉar la bakterion uzas ĝin por englui la genetikajn informojn de virusoj, kiuj atakis ĝin antaŭe, en la DNA. Tiel la bakterio povas rekoni la materialon kiam simila viruso atakas ĝin estontece kaj batali kontraŭ ĝi. La proteino kiun la bakterio uzas por fari tion estas ege bona kaj preciza tondilo. Pro tio ke ĝi estas multe pli preciza ol aliaj metodoj de ŝanĝi DNA, esploristoj uzas ĝin por laŭplaĉe tranĉi DNA kaj eventuale meti alian pecon de DNA en la truo. Estontece oni esperas solvi multajn genetikajn problemojn tiel kaj en la laboratorio oni jam faris sufiĉe imponajn paŝojn.

^ Doni genojn al bakterioj sufiĉe facilas. Ĉi tiuj bakterioj ricevis biolumineskan genon de meduzo.

Ludi la rolon de Dio

Ekde kiam genetika modifado signifis ke oni tiom longe pafis plantojn per radio ĝis unu ekhavis novan econ, scienco multe progresis. Oni povas nun freneze rapide legi la kodon de DNA, tranĉi ĝin kaj aldoni la genojn de tute malsamaj organismoj. Oni eĉ iomete sukcesis krei proprajn kodojn (estas konkurso pri tio por universitatoj). Tio ebligis la kreadon de novaj plantoj kiuj kreskas en malbonaj kondiĉoj aŭ produktas pli da fruktoj, aŭ bestoj kiuj pli simple kreskigeblis. Unuflanke tio jam okazis dum miljaroj per la selektado kaj hibridigo de rasoj, sed aliflanke la eblecoj donas pli da respondeco ol iam antaŭe. Eksperimentoj en biologio iĝas pli kaj pli avancintaj kaj igas onin pensi pri la etiko de DNA-modifado. Ĉu modifitaj manĝaĵoj estas vere pli sanigaj ol nemodifitaj manĝaĵoj? Ĉu oni rajtas komerce posedi DNA-kodon? Ĉu kreskigi insektojn kun kruroj sur la kapo aŭ musojn kun homaj organoj sur la dorso estas etika? Feliĉe ĉi tiaj demandoj estas multe pripensataj kaj ĉiu universitato kiu faras tiajn eksperimentojn havas etikan komitaton. Specife kiam temas pri homoj, la demandoj iĝas komplikaj. Ĉu oni rajtas modifi la genojn de nenaskita homo? Multaj homoj kontraŭas tion, sed kio se oni modifas la gepatrojn kaj la infano heredas modifitajn genojn? Nun ambaŭ ekzemploj ŝajnas kiel problemo por poste, sed oni demandas sin similajn demandojn hodiaŭ. Oni jam povas detekti diversajn genetikajn malsanojn antaŭ la nasko kaj devas decidi ĉu oni daŭrigos la gravedecon. Historie tiaj decidoj okazis eĉ post la nasko. El tiu perspektivo modifado estus por multaj homoj pli etike justa ol abortigo. Aliflanke nenecesa modifado ŝajnas al multaj homoj multe pli problema, sed ĉu oni ne povus diri ke ne doni la plej bonajn genojn al infano estus same maljusta kiel doni malbonan edukon al ĝi? Ĉi tiuj demandoj ne nur gravas por sciencistoj, sed ankaŭ por ĉiuj aliaj. Ju pli scienco progresos, des pli la demandoj iĝos relevantaj. Gravas do ke oni komprenu pri kio la scienco fakte temas. Tio, kio estas fremda estas timiga kaj kiam oni timas progreson, ankaŭ la avantaĝoj ne realiĝas.