2.9. Enzimek

Az enzimek olyan fehérjék amik katalizálják, elősegítik az egyes kémiai reakciók lejátszódását az élő sejtekben (és a molekuláris levesben is). Ezek általában nagyon specifikusak, és csak egy meghatározott reakcióhoz nyújtanak segítséget. Rengeteg olyan reakció van, ami spontán, megfelelő enzim jelenléte nélkül csak nagyon lassan játszódik/na le, sőt le sem játszódik, az enzimek hatására a megfelelő kémiai reakciók 106-1012-szer gyorsabban játszódnak le, ezért az enzimek döntő jelentőségű szerepet játszanak a természetben és a DNS számítógépekben (a DNS-sel történő számításokban) is.

A DNS molekulákkal végezhető egyes alapműveletek végrehajtásában a természet által adott enzimeket használjuk, hasonlóan ahhoz, ahogy a polimeráz enzimet, amit már említettük.

Vannak olyan enzimek, amik segítségével építhetjük a DNS molekulákat, vannak amik bontják őket (egyszerre mindkét szálról, vagy pl. csak a 3' szálvégekről távolítanak el nukleotidokat ezzel megbontva a molekula kétláncú teljességét is). Vannak viszont olyan enzimek is, amik szétvágják a molekulákat kisebb molekulákra, számítási szempontból ezek lesznek érdekesek számunkra, lássuk őket:

2.9.1. A DNS szétvágása

Amint látni fogjuk, egyes számításokban (pl. 7. fejezet) fontos szerepet játszanak az ún. vágóenzimek (restrikciós endonukleázok).

Ezekből nagyon sokféle ismert. Ma már katalógusokból lehet őket rendelni. Dupla DNS láncot vágnak ketté, magukat a nukleotidokat nem roncsolva, csak a köztük levő kötéseket (pl. a foszfodiészter-kötéseket) felbontva. Az enzimek legtöbbje nagyon specifikus, hogy pontosan mit, hol és hogyan vág (ez adja az ilyen enzimek sokféleségét is).

Általános működési elvük a következő:

Az enzim hozzákötődik a molekulához egy specifikus felismerő helyen (adott mintához tud kötődni), és ezen belül adott módon vagy kívül (meghatározott távolságra) kettéhasítja azt. Ha egy DNS molekula több ilyen felismerő helyet tartalmaz, az enzim bármelyik ilyen helyen elvágja azt (sőt általában elegendő ilyen enzim van az oldatban ahhoz, hogy egyszerre akár több helyen is történjen vágás). Ez a vágás lehet lépcsőzetes, két ún. ragadós véget (sticky end) hozva létre. Enzimtől függően lehet mindkét ilyen ragadós vég 5' vég vagy mindkét ragadós vég 3' vég (pl. 2.4. ábra és 2. animáció). Bizonyos restrikciós enzimek nem hoznak létre ragadós végeket, hanem tompán (blunt end) vágják ketté a dupla láncot: mindkét láncot ugyanazon a helyen.

2.4. ábra - Egy lehetséges vágás „ragadós végek" létrehozásával.

Egy lehetséges vágás „ragadós végek" létrehozásával.

2. animáció - Vágás 3' ragadós végek létrehozásával.

Lássunk néhány konkrét példát.

4. Példa. Az EcoRI nevű enzim, amit egy baktériumfajból sikerült izolálni felismerési mintája az 5' irányból nézve GAATTC. Figyeljük meg, hogy a minta palindromikus, vagyis a komplementer szálon az 5' irányból ugyanez a minta olvasható. Az enzim mindkét szálon a mintán belül a G és A között vág, az így létrejött két molekula mindegyikének ragadó 5' vége lesz, méghozzá a végükről olvasva őket, éppen AATT. Az enzim sematikus működését a 2.5. ábra mutatja.

2.5. ábra - Az EcoRI vágóenzim működése.

Az EcoRI vágóenzim működése.

A vágóenzimek estén nagyon gyakori, hogy a felismerési mintájuk palindromikus az imént leírt értelemben.

5. Példa Az XmaI nevű enzim felismerési mintája az 5' irányból nézve CCCGGG. Ez is palindromikus minta. Az enzim mindkét szálon a mintán belül az első és a második C között vág, ahogy a 2.6. ábra mutatja.

2.6. ábra - Az XmaI vágóenzim felismerési mintája és általa létrehozott ragadós végek.

Az XmaI vágóenzim felismerési mintája és általa létrehozott ragadós végek.

Láthatjuk, hogy a második példánk enzime is 5' ragadós végeket hoz létre.

6. Példa. A SmaI nevű enzim felismerési mintája ugyanaz, mint a 5. Példában bemutatott XmaI enzimé: az 5' irányból nézve CCCGGG. Ez az enzim viszont mindkét szálon a mintán belül, annak közepén vág. Ennek megfelelően tompa végű (vagyis a jelzett végüknél teljes kettősszálú) molekulák jönnek létre, ahogy a 2.7. ábra mutatja.

2.7. ábra - Az SmaI vágóenzim működése.

Az SmaI vágóenzim működése.

Ismertek további olyan enzimek is, amik az előző példa felismerési mintáját, de máshol vágják el.

7. Példa. A PstI enzim 3' ragadós végeket hoz létre, ahogy a 2.8. ábra mutatja.

2.8. ábra - A PstI vágóenzim működése.

A PstI vágóenzim működése.

Vannak olyan enzimek is amik nem a mintán belül vágnak:

8. Példa. A HgaI enzim felismerési mintája az 5' irányból nézve GACGC. Ez nem palindromikus minta, az enzim nem is dolgozik szimmetrikusan: a felső szálon (ezen a szálon 3' irányban) a minta utáni ötödik nukleotid után, míg az alsó szálon a minta utáni 10. nukleotid után vág (ezen szálon ez az 5' vég irányában van a mintától), így két 5' ragadós véget létrehozva.

Figyeljük meg, hogy ha ragadós vég keletkezik a vágás után, akkor mindkét létrejövő molekulának ugyanaz a szála lesz hosszabb (biokémiai irányt tekintve).

Láthatjuk tehát, hogy fontos a felismerési minta, a vágás típusa pedig alapvetően háromféle lehet:

  • 5' ragadós végeket létrehozva (az írásmódunkban balról jobbra haladva ez lefelé haladó lépcsőnek felel meg);

  • 3' ragadós végeket létrehozva (ez felfelé haladó lépcsőnek felel meg); és végül

  • tompa végeket létrehozva (a két láncot ugyanott, ez függőleges, nem lépcsőzetes vágás).

A 7. fejezetben térünk vissza az ezekkel az enzimekkel végezhető műveletekre, illetve az ezt felhasználó formális modellre.

A következő enzim a szétvágás ellenkezőjét, az összeragasztást segíti.

2.9.2. A DNS összelinkelése, összeforrasztása - a ligáz enzim

A már többször említett polimeráz enzim mellett a ligáz enzim is természetbeli, és ugyancsak alapvető szerepet játszik az élő sejtekben is. Ezek az enzimek a kettős DNS-láncok cukor-foszfát gerincein végighaladva ellenőrzik a foszfodiészter-kötéseket. Ahol ez a kötés hiányzik, ott megtört gerincről beszélünk. Ha az enzim ilyen megtört gerincet talál, vagyis hiányzik a szomszéd nukleotidokat összekötő kovalens kötés akkor helyreállítja azt. (Lásd 2.9. ábra.) Fontos megjegyeznünk, hogy a megtört gerinc nem jelenti a molekula szétesését, azt egyben tartják a két láncot összetartó hidrogénkötések, illetve a másik láncon meglevő foszfodiészter-kötés. Viszont akkor stabil igazán egy DNS molekula, ha mindkét lánc végig egy-egy egyszeres lánc, és nem tartalmaz megtört gerincet egyik láncán sem.

2.9. ábra - A ligáz enzim működése.

A ligáz enzim működése.

Képzeljünk el restrikciós enzimmel elvágott ragadós végű molekulákat, amik ragadós végei egymás komplementerpárjai. Ezek egymáshoz tapadhatnak hidrogénkötésekkel, viszont ahhoz, hogy teljesen komplett kétszálú molekulát kapjunk, szükség van a ligáz segítségére. A láncok gerincét alkotó foszfodiészter-kötések ugyanis hiányoznának a két eredeti molekula közül. A 3. animáción látható, ahogy a ragadós végek összeragadása után a ligáz segítségével kapunk teljes (értékű) kétszálú láncokat.

3. animáció - A ligáz „molekulaforrasztó" szerepe.

Így a számítások során is fontos szerepet játszik ez az enzim, amikor rövidebb láncokból építünk fel hosszabbakat. A rövid láncok ligáz segítségével történő összekötése már a következő alfejezetben is fel lesz használva.

Most, hogy átnéztük a DNS molekulákkal végezhető műveleteket, készen állunk arra, hogy az első nagyhatású kísérletek eredményeit, (egy új számítási paradigma születését) megnézzük.

Tehát következzen annak leírása, hogy az első kísérletekben mely számítási problémákat oldották meg a DNS molekulákkal és hogyan. Ezek a kísérletek jelentették a kezdeti lépéseket az in vitro DNS számítógépek, vagyis a kémcsőben/lombikban (élő sejten kívüli) DNS felhasználására matematikai, számítási problémák megoldására.