Professoriluento | Tuomas Lönnberg

Nukleiinihapot, DNA ja RNA, ovat luultavasti ainakin nimenä useimmille tuttuja. DNA:n yleisimpään esiintymismuotoon eli kaksoiskierteeseen törmäämme toistuvasti niin dokumenteissa kuin viihteellisemmissäkin elokuvissa ja valokuva James Watsonista ja Francis Crickistä tätä rakennetta kuvaavan mallin äärellä lienee yksi kaikkein tunnetuimmista luonnontieteellistä tutkimustulosta esittelevistä kuvista.

Koulun biologian tunnilta muistamme, että nukleiinihappojen pääasiallinen tehtävä on perinnöllisen informaation varastointi ja kuljettaminen. Tämä informaatio on koodattuna neljästä kirjaimesta eli emäksestä koostuviksi jonoiksi. Kaksoiskierteisissä rakenteissa nämä kirjaimet pariutuvat keskenään hyvin yksinkertaisella ja ennustettavalla tavalla, A T:n ja C G:n kanssa. Nukleiinihappojen emäsjärjestyksen eli sekvenssin määrittämiseen on kehitetty toinen toistaan tehokkaampia menetelmiä eikä edes ihmisen koko perintöaineksen lukeminen ole nykyisin erityisen vaikeaa. Toisaalta nukleiinihappoja, joilla on juuri haluttu sekvenssi, pystytään myös valmistamaan sekä kemiallisin että biologisin menetelmin.

Joissakin sovelluksissa edellä esitetty tieto riittää jo varsin pitkälle. Tunnetuin esimerkki ovat epäilemättä mRNA-rokotteet, joita on vuoden 2020 lopulta alkaen jaettu miljardeja annoksia koronaviruspandemian leviämisen hillitsemiseksi. Näiden rokotteiden sisältämä RNA toimii klassisimmassa biologisessa roolissaan eli niin sanottuna lähetti-RNA:na, joka saa pistoskohdan lihassolut väliaikaisesti tuottamaan koronaviruksen piikkiproteiinia, joka puolestaan laukaisee immuunivasteen.

Kun katsotaan hiukan pintaa syvemmälle, huomataan, että rokotteiden RNA ei olekaan aivan luonnonmukaista vaan sisältää pieniä muutoksia osassa emäksistä – eli niistä kirjaimista. Nämä muutokset eivät vaikuta siihen, miten kyseinen kirjain luetaan, mutta tehostavat viruksen proteiinin tuotantoa. Kovin mittavia muutoksia ei rokote-RNA:n biologinen valmistusmenetelmä sietäisikään.

mRNA-rokotteet ovat siinä mielessä helppo esimerkki nukleiinihappojen lääketieteellisestä käytöstä, että niiden täytyy toimia vain paikallisesti ja lyhyen aikaa. Toisin on niin sanottujen oligonukleotidilääkkeiden laita. Ne ovat lyhyitä, paljon rokote-RNA:ta lyhyempiä, nukleiinihapon pätkiä, jotka lähetti-RNA:han sitoutumalla voivat korjata tai kokonaan estää haluttujen geenien ilmenemistä. Toisin kuin rokote-RNA, oligonukleotidilääkkeet vaativat perusteellisia rakenteellisia muutoksia säilyäkseen elimistössä riittävän pitkään, mieluiten kuukausia, ja tavoittaakseen solutason kohteensa. Tässäkin tapauksessa kirjainten pariutumiseen osallistuvat kohdat jätetään kuitenkin ennalleen.

Mikään ei sinänsä estä lisäämästä nukleiinihappojen käyttämiin aakkosiin uusia kirjaimia. Näin voidaan esimerkiksi laajentaa geneettistä koodia pyrkimyksenä rakentaa uusia proteiineja aminohapoista, joita luonto ei normaalisti käytä. Toinen tärkeä tavoite on parantaa niin sanottujen ribotsyymien ja DNAtsyymien sekä aptameerien ominaisuuksia. Kahta ensin mainittua voidaan pitää entsyymien ja viimeksi mainittua vasta-aineiden analogeina, jotka ovat rakenteeltaan proteiinien sijaan nukleiinihappoja. Molempien etuina on tavanomaisiin proteiinipohjaisiin entsyymeihin ja vasta-aineisiin verrattuna pienempi koko sekä tehokas, suunnattuun evoluutioon perustuva seulontamenetelmä. Rajoitteena puolestaan on nukleiinihappojen proteiineja kapeampi kemiallinen monimuotoisuus, johon siis voitaisiin vastata aakkostoa laajentamalla. Kokonaan oma lukunsa, johon valitettavasti emme tällä kertaa ehdi paneutua, on nukleiinihappojen käyttö nanoteknologiassa, esimerkiksi johtimina. Mainittakoon kuitenkin, että tälläkin tutkimusalalla olisi tarvetta muokatuille tai kokonaan uusille kirjaimille.

Ja jos aakkostoa kerran peukaloidaan, niin miksi rajoittua kirjaimiin, jotka muistuttavat luonnon käyttämiä? Esimerkiksi omassa tutkimuksessani olen keskittynyt sellaisiin muutoksiin, joissa emäsosaan – luonnolliseen tai keinotekoiseen – on liitetty yksi tai useampia raskasmetalliatomeja, kuten elohopea tai palladium. Yksikään tunnettu biomolekyyli ei sisällä kumpaakaan näistä alkuaineista, joten tässä mielessä ”luonnottomampaa” lisäystä nukleiinihappojen aakkosiin on vaikea kuvitella. Kuitenkin monet näistä uusista kirjaimista pariutuvat hyvinkin lujasti tavanomaisten kanssa sitoen kaksoiskierteen nauhat yhteen jopa tiukemmin kuin luonnollisessa DNA:ssa.

Kenties vielä lujaa sitoutumistakin kiinnostavampi havainto on, että jotkin metalloidut kirjaimet pystyvät erottamaan niille tarjotut vastinkappaleet toisistaan tarkemmin kuin yksikään nukleiinihappojen luonnollisista kirjaimista. Tällaisella ominaisuudella olisi käyttöä niin sanottujen yhden emäksen monimuotoisuuksien eli snippien tunnistuksessa. Suurin osa perintöaineksen eroista yksilöiden välillä on juuri tällaisia pistemutaatioita ja niitä hyödynnetään niin diagnostiikassa kuin rikosteknisessä tutkimuksessakin. Nykyisin käytössä olevat menetelmät perustuvat luonnollisten kirjainten väliseen pariutumiseen, jolloin yhdellä koettimella päästään ”oikein/väärin” -tarkkuuteen ja snipin luotettavaan tunnistukseen vaaditaan jopa neljä erilaista koetinta. Metalloituja kirjaimia sisältävillä koettimilla olemme parhaimmillaan pystyneet samaan käyttäen vain yhtä koetinta.

Kaksoiskierteisten nukleiinihappojen ja niiden sisältämien emäsparien geometria tunnetaan varsin hyvin, mikä helpottaa uusien kirjainten suunnittelua. Tästä huolimatta haluttu toiminnallisuus varmistuu vasta, kun muokattua nukleiinihappoa on saatu valmistettua tutkimuksia varten riittävä määrä. Helpoin ja edullisin valmistusmenetelmä on mRNA-rokotteillakin käytetty entsymaattinen polymerisaatio. Entsyymit ovat kuitenkin miljardien vuosien aikana kehittyneet rakentamaan nukleiinihappoja juuri niistä luonnollisista kirjaimista eivätkä hyväksy kovin suuria muutoksia varsinkaan pariutumisen kannalta kriittisiin kohtiin. Toinen menetelmä on kemiallinen synteesi, jota käytetään muun muassa oligonukleotidilääkkeiden valmistukseen. Kemiallinen synteesi mahdollistaa lähes minkälaisten rakennuspalikoiden käytön tahansa, mutta on kallista ja tarvitsee suuria määriä liuottimia ja reagensseja. Lisäksi itse rakennuspalikoiden synteesi on työlästä ja aikaa vievää.

Erilaisten rakenteellisten muutosten testaamisen kannalta olisi kätevää, jos itse nukleiinihappo voitaisiin ensin valmistaa erikseen – joko biologisesti tai kemiallisesti – ja muokattu osa liittää siihen jälkikäteen jotakin tehokasta ja toimintavarmaa reaktiota hyödyntäen. Tällaisia reaktioita on ryhdytty viime aikoina kutsumaan ”napsautusreaktioiksi” ja niiden kehittämisestä myönnettiin kemian Nobelin palkinto vuonna 2022. Osa napsautusreaktioista on niin sanotusti bio-ortogonaalisia eli niitä voidaan käyttää jopa elävän organismin sisällä ilman vaaraa siitä, että lähtöaineet reagoisivat jollain muulla tavalla kuin juuri toistensa kanssa. Napsautusreaktiot ovat erittäin näppäriä silloin kun on kytkettävä toisiinsa kaksi molekyyliä välittämättä siitä, kuinka pitkä, jäykkä ja minkä muotoinen niiden väliin tuleva lieka on. Tyypillisin esimerkki on nukleiinihappoketjun päästä suhteellisen pitkän ja joustavan liean varassa roikkuva fluoresoiva tai radioaktiivinen leima. Muutokset kaksoiskierteen sisällä – siis siellä, missä nukleiinihappojen kirjainten pariutuminen tapahtuu – ovat geometristen rajoitteiden vuoksi haastavampia ja vaativat erilaista kemiaa. Vaikka itse kirjain haluttaisiinkin vaihtaa toiseen, olisi rungon, joka liittää sen osaksi nukleiinihappoketjua, pysyttävä mahdollisimman samanlaisena luonnollisen esikuvansa kanssa. Tähän vaatimukseen yksikään yleisessä käytössä olevista napsautusreaktioista ei vastaa.

Luonnollisissa nukleiinihapoissa kirjaimet eli emäsosat ovat sitoutuneet typpiatomien kautta sokerirenkaiden niin sanottuihin anomeerisiin hiiliatomeihin. Tällaisen sidoksen muodostuminen on tasapainoreaktio, joka vesiliuoksessa jää lähes täysin lähtöaineiden puolelle eikä näin ollen ole käyttökelpoinen uusien rakenteiden liittämiseksi valmiiseen nukleiinihapporunkoon. Reaktio muuttuu suotuisammaksi, kun typpiatomi siirretään osaksi sokerirengasta ja emäsosaan lisätään ylimääräinen reaktiivinen hiiliatomi. Tällöin emäsosan liittäminen tapahtuu siten, että tuo reaktiivinen hiiliatomi ikään kuin täydentää sokerirenkaan. Tämäkin reaktio johtaa tasapainoon, mutta nyt ylivoimaisesti suurin osa lähtöaineista muuttuu tuotteiksi. Juuri tällainen tasapainoreaktio on edullinen, koska se mahdollistaa uusien kirjainten seulonnan niin sanotun dynaamisen kombinatorisen kemian keinoin. Dynaamisessa kombinatorisessa kemiassa nukleiinihapporungon annetaan ikään kuin itse valita sopivin ehdokas uusien kirjainten joukosta. Tasapainon asetuttua tilanne reaktioliuoksessa voidaan ”jäädyttää” sopivalla olosuhteiden muutoksella, edellä kuvatussa tapauksessa yksinkertaisesti säätämällä liuoksen pH lievästi happamasta neutraaliksi. Olemme äskettäin päässeet kokeilemaan tätä menetelmää nukleiinihappojen luonnollisten kirjainten johdoksilla ja havainneet, että Watsonin ja Crickin pariutumissäännöt pätevät muunnellusta runkorakenteesta huolimatta.

Palataanpa lopuksi vielä DNA:n kaksoiskierteiseen rakenteeseen, joka toi löytäjilleen Nobelin palkinnon yli kuusikymmentä vuotta sitten. Olemme huomanneet, että kaksoiskierteen ulkopinnalle voidaan tehdä monenlaisia muutoksia perusrakenteen säilyessä ennallaan. Tällaiset muutokset ovat jo laajalti käytössä nukleiinihappoihin pohjautuvissa rokotteissa ja lääkeaineissa. Kenties hieman yllättävämpi havainto on, että kaksoiskierre sietää muutoksia myös sisällään – aakkostoa voidaan siis laajentaa, kunhan uudet kirjaimet pystyvät muodostamaan keskenään samankaltaisia pareja kuin luonnon A, C, G ja T. Laajennettu aakkosto olisi hyödyksi kehitettäessä nukleiinihapoista erilaisia sensoreita sekä entsyymien ja vasta-aineiden korvikkeita. Muutokset DNA:n rungossa muuttavat kyllä jossain määrin kaksoiskierteen muotoa mutta eivät kuitenkaan sen perusolemusta – kirjaimet parituvat edelleen kaksoiskierteen keskellä Watsonin ja Crickin laatimien sääntöjen mukaan. Runkoa muokkaamalla päästään hyödyntämään dynaamista kombinatorista kemiaa, minkä toivomme mahdollistavan paitsi erilaisten muunnelmien tehokkaan seulonnan, kenties jonain päivänä myös keinotekoisten elämää jäljittelevien nukleiinihappoihin pohjautuvien verkostojen luomisen.