מולקולות DNA
עם שמונה אותיות

החומר התורשתי של כל היצורים החיים המוכרים לנו הוא חומצות גרעין, וכמעט תמיד זוהי חומצת הגרעין DNA. חומצות גרעין הן מולקולות ארוכות  שבנויות כשרשרת, או "גדיל", העשוי מרצף של אבני בניין הנקראות נוקלאוטידים. ב-DNA ישנם ארבעה סוגי נוקלאוטידים (A, T, G ו-C) – ה"אותיות" שבהן נכתב המידע התורשתי שלנו ושל כל היצורים החיים בעולם. הנוקלאוטידים ייחודיים בכך שהם יכולים להיקשר זה לזה בזוגות ספציפיים – A נקשר ל-T, ו-G נקשר ל-C; לשילובים אחרים קשה להיווצר, ובאופן תקין הם אכן אינם נוצרים. בדרך זו, שני גדילי DNA שלכל אחד מהם רצף בסיסים משלים לרעהו נוטים להתחבר ולאמץ את צורת הסליל הכפול המפורסם.

למאפיין הזה של מבנה ה-DNA יש יתרונות רבים: ראשית, הוא מאפשר לבנות גדיל חדש של DNA בהתבסס על הרצף של הגדיל הישן, וכך לשכפל את המידע התורשתי ולמעשה לאפשר את תהליכים של חלוקת תאים  ורבייה. שנית, ניתן להעתיק את המידע על ידי בנייה של חומצת גרעין דומה – RNA – בהתבסס על אותו עיקרון של זיווג בסיסים, וכך להשתמש במידע כדי לבנות חלבונים, האחראים לביצוע רוב הפעילויות בתא. כל זה, כמובן, ידוע כבר זמן רב. כעת, במאמר בכתב העת Science, דיווחו חוקרים כי הצליחו להוסיף לאלפבית התורשתי עוד ארבע אותיות, ולמעשה להכפילו.

ארבע, שש, שמונה

החוקרים פיתחו ארבעה סוגי נוקלאוטידים נוספים, המכונים S, W, B, Z, ואת ה-DNA החדש שפיתחו כינו האצ'ימוג'י (Hachimoji, ביפנית: שמונה אותיות). גם הנוקלאוטידים החדשים יוצרים זוגות ייחודיים: S נקשר ל-B ואילו Z נקשר ל-P, תוך שמירה על צורת הסליל הכפול. האצ'ימוג'י-DNA אף יכול לעבור תעתוק להאצ'ימוג'י-RNA על ידי חלבונים מסוימים שמקורם בנגיפים (אם כי לא כל חלבון-תעתוק טבעי עושה את העבודה). בכך נפתחת האפשרות להשתמש בעתיד ב-DNA המשודרג להנדסה גנטית ובמחקר.

מחקר זה אינו ההרחבה הראשונה שעבר האלפבית הגנטי. פרופ' סטיבן בנר, שהוביל את קבוצת המחקר, עוסק בכך זה כשלושה עשורים: כבר בשנת 1990 דיווח בנר על האפשרות להגדיל את מספר ה"אותיות" של ה-DNA מ-4 ל-6. לאחרונה הצליחו חוקרים להראות DNA זה, שבו 6 אותיות, יכול לעבור שכפול ואף תעתוק ל-RNA שבו 6 אותיות; וכי את ה-RNA הזה ניתן לתרגם לחלבונים ייחודיים, שגם הם בנויים מקבוצה מורחבת של חומצות אמיניות. החוקרים אף הראו שכל התהליך יכול לעבוד ביצורים חיים, כשמשלבים ב-DNA של חיידק את הנוקלאוטידים החדשים.

DNA חייזרי?

להרחבת האלפבית הגנטי ישנן כמה השלכות מעניינות נוספות. היא מדגימה, למשל, שארבע האותיות הסטנדרטיות אינן היחידות שיכולות לבצע את המלאכה של נשיאת מידע תורשתי. זו ראיה לכך שלפחות בעיקרון, צורות חיים אחרות, למשל בכוכבי לכת אחרים, עשויות להיות מבוססות על חומר תורשתי שאיננו ה-DNA המוכר לנו מצורות חיים ארציות. ואכן, המחקר הנוכחי מומן בין השאר על ידי סוכנות החלל האמריקאית (נאס"א) בשל הרלוונטיות שלו לחקר חיים מחוץ לכדור הארץ.

השלכה נוספת היא על תחום אחסון המידע. רוב המידע מאוחסן כיום באמצעים מגנטיים ואלקטרוניים, כמו דיסקים וכרטיסי פלאש. אך כמות המידע המאוחסן מטפסת במהירות, ומגבלות של מקום, אנרגיה ועמידות הופכות להיות יותר ויותר קריטיות. כבר היום ישנן יוזמות לאחסון ארוך טווח של מידע כמו תמונות, סרטי וידאו ומסמכים ב-DNA, שיתפוס את מקומן של הטכנולוגיות הנוכחיות. היוזמות האלה מבוססות על יצירת מולקולות DNA מלאכותיות שכל נוקלאוטיד בהן מקביל לביט של מידע דיגיטלי, לפי שיטת המרה שנקבעת מראש. מולקולות DNA הן עמידות לאורך זמן, וניתן לאחסן כך כמות גדולה של מידע במבחנות, למשל במקרר או במקפיא. כדי לשלוף את המידע יש לרצף את ה-DNA, כלומר "לקרוא" את הרצף שלו - וטכנולוגיית ריצוף ה-DNA, שהתקדמו מאוד בעשרים השנה האחרונות, מאפשרות לעשות זאת בצורה אמינה, מהירה וזולה יחסית. כל מה שנותר אז הוא להמיר את הרצף המתקבל בחזרה לקוד דיגיטלי. המחקר החדש מרחיב את האלפבית הזמין, וכך מאפשר להגדיל את צפיפות המידע הניתן לאחסון על כל מולקולת DNA, ולשמור מידע ביעילות רבה יותר.