Replikacja DNA zachodzi w jądrze komórkowym, stąd można je określić „fabryką DNA”.  Proces ten odbywa się w fazie S interfazy. Chromatyna występuje wtedy w postaci rozluźnionych włókien, co umożliwia aktywność replikacyjną.

Jądro komórkowe jest przystosowane do replikacji DNA pod względem budowy, zawiera bowiem pory w otoczce jądrowej, którymi do wnętrza jądra przedostają się:

• trifosforany nukleozydów niezbędne do produkcji nici DNA;

• enzymy katalizujące replikację.

DNA, czyli kwas deoksyrybonukleinowy, zbudowany jest z nukleotydównukleotydnukleotydów składających się z pięciowęglowego cukru deoksyrybozy, reszty fosforanowej(V) oraz jednej z czterech zasad azotowych: adeniny (A), cytozyny (C), guaniny (G) lub tyminy (T).

Nukleotydy połączone są wiązaniem 3′,5′-fosfodiestrowymwiązanie fosfodiestrowewiązaniem 3′,5′-fosfodiestrowym, które występuje między deoksyrybozą jednego nukleotydu a resztą fosforanową kolejnego nukleotydu. W ten sposób układają się one w łańcuch polinukleotydowy, którego koniec w pozycji 5′ tworzy reszta fosforanowa(V), natomiast na końcu 3′ występuje grupa hydroksylowa (-OH) deoksyrybozy.

Za tworzenie nici DNA odpowiada enzym polimeraza DNApolimeraza DNApolimeraza DNA, który bierze udział w procesie replikacji DNA. Tworzenie nowej nici DNA zachodzi zawsze na matrycymatrycamatrycy, którą jest nić pochodząca z macierzystej (powielanej) cząsteczki DNA. Aby mogło zajść niezbędne jest więc rozdzielenie nici budujących cząsteczkę DNA poprzez zerwanie wiązań wodorowych pomiędzy zasadami azotowymi obydwu nici, za co jest odpowiedzialny enzym helikaza. Następnie prymaza dołącza krótkie odcinki nukleotydów RNA, do których może przyłączyć się polimeraza DNA. Proces replikacji polega na dołączeniu nowego nukleotydu do końca 3′ nici, na którym występuje nukleotyd z wolną grupą OH przy węglu 3 deoksyrybozy, więc nowa nić powstaje w kierunku od 5′ do 3′.

Reakcja tworzenia wiązania fosfodiestrowego pomiędzy nukleotydami wymaga dostarczenia energii z hydrolizy wiązań wysokoenergetycznych cząsteczki trifosforanu nukleozydutrifosforan nukleozydutrifosforanu nukleozydu. To właśnie w takiej formie nukleotydy są wykorzystywane do syntezy DNA, podczas której hydrolizie ulegają wiązania wysokoenergetyczne pomiędzy resztami fosforanowymi wbudowywanej cząsteczki. W konsekwencji od trifosforanu nukleozydu uwalniane są dwie reszty fosforanowe, a trzecia stanowi element budowy szkieletu cząsteczki DNA, czyli nukleotydu.

W przeciwieństwie do syntezy DNA u żywych organizmów na drodze replikacji, w sztucznych systemach do syntezy DNA niepotrzebne jest matrycowe DNA. Nukleotydy są przyłączane do siebie bezpośrednio dzięki wywołaniu odpowiednich reakcji chemicznych. Metoda ta pozwala na syntezę praktycznie każdej, dowolnej sekwencji DNA.

Tworzenie cząsteczki DNA de novo zachodzi w dwóch etapach. Pierwszy to tzw. drukowanie DNA, które prowadzi do wytworzenia oligonukleotydówoligonukleotydyoligonukleotydów o długości ok. 200 par zasad. Drugi etap polega na połączeniu tych fragmentów różnymi metodami np. przy użyciu ligaz DNAligaza DNAligaz DNA.

Co ciekawe, w trakcie syntezy oligonukleotydów łańcuch DNA rośne w kierunku odwrotnym niż podczas biosyntezy DNA. Kolejne nukleotydy przyłączane są końcem 3′ do końca 5′. W miejscu 5′-OH nukleotydy posiadają grupę ochronną – np. grupę dimetoksytrytylową (DMTr). Jest ona chemicznie usuwana tuż przed dodaniem kolejnego nukleotydu, dzięki czemu pomiędzy określonymi dwoma nukleotydami może powstać zredukowane wiązanie fosforynowe, a następnie, po utlenieniu, wiązanie fosfodiestrowe. Dzięki obecności grup ochronnych możliwe jest więc kontrolowanie sekwencji powstałego łańcucha nukleotydowego, ponieważ zapobiegają one losowemu tworzeniu wiązań pomiędzy nukleotydami.

Sztuczna synteza fragmentów DNA, które mogą kodować całe geny, stanowi użyteczne narzędzie w inżynierii biomedycznejinżynieria biomedycznainżynierii biomedycznej. Umożliwia badania naukowe, prowadzące m.in. do tworzenia szczepionek biotechnologicznych i do opracowywania nowych metod terapii genowej.

Słownik