DNA是一百万分之一吗?

生物学在DNA和RNA编码信息,复杂的分子精细调谐功能。但它们储存遗传分子信息的唯一方法吗?

一些科学家认为我们知道它的生命不可能之前有核酸,从而了解他们是如何存在于原始地球是一个基础研究的基本目标。核酸在生物信息流动的核心作用也使得药物研究的关键目标,和合成分子模拟核酸形成许多治疗病毒性疾病的基础,包括艾滋病毒。其他核酸聚合物,然而关于可能的替代遗传信息存储是未知的。

利用先进的计算方法,科学家们从地球生命科学研究所(特大规模集成)在东京理工学院、德国航空航天中心(DLR)和埃默里大学探讨核酸类似物的“化学社区”。令人惊讶的是,他们发现了超过一百万个变异,这意味着一个巨大的未开发的宇宙中化学与药理学、生物化学和努力了解生命的起源。分子通过本研究可以进一步修改以使数亿潜在制药药物先导物。

核酸是首次发现在19世纪,但他们的组成、生物学作用和功能并不理解科学家直到20世纪。DNA双螺旋结构的发现1953年,沃森和克里克发现一个简单的解释如何进化生物学和功能。地球上所有生物信息存储在DNA,它由两个聚合物链相互缠绕在墨丘利的节杖,每个链的补充。当链拉开,复制补上在两个副本的原始模板的结果。DNA聚合物本身是由一个序列的“字母”,基地腺嘌呤(a)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)和生物进化的方式,以确保在DNA复制相应的字母序列几乎总是复制。的碱基序列复制到RNA,蛋白质,然后被读入一个蛋白质序列。蛋白质本身就使仙境良好的化学过程,使生活成为可能。

小错误偶尔发生在DNA复制,和其他人有时引入环境诱变剂。这些小错误是自然选择的素材:其中一些错误导致产生健康生物序列,尽管大多数有什么影响,许多甚至是致命的。新的序列允许宿主的能力更好的生存是“棘轮”允许生物学几乎神奇地适应不断变化的环境提供了挑战。这是万花筒的底层原因我们周围的生物形式,从微小的细菌到老虎,这些信息存储在核酸生物学中允许“记忆”。但DNA和RNA来存储这些信息的唯一方法吗?或者他们也许只是最好的方法,发现只有在数百万年的进化修补?

”有两种类型的核酸在生物,也许20或30有效的核酸结合核酸类似物。我们想知道如果有一个被发现,甚至一百万多。答案是,似乎有很多很多超过预期,”吉姆说劈开的特大规模集成。

虽然生物学家不考虑生物,病毒还利用核酸存储自己的遗传信息,尽管一些使用的轻微变异病毒DNA, RNA分子存储系统。RNA与DNA的单个原子替换,但总RNA中DNA分子规则非常相似。值得注意的是,在令人难以置信的各种各样的生物在地球上,这两个分子生物学本质上是唯一的用途。

生物学家和化学家们一直想知道为什么会这样。这些是唯一的分子可以执行这个函数吗?如果不是这样,他们也许是最好的,也就是说,其他分子可以扮演这一角色,甚至生物在进化过程中尝试过吗?

中央核酸在生物学中的重要性也长药物化学家的目标。如果一种药物可以抑制能力的有机体或病毒通过其知识如何传染给后代,它有效地杀死微生物或病毒。清理一个生物体的遗传或病毒是一种很好的方式,使其死亡。幸运的是化学家,我们所有人,负责管理核酸复制的细胞结构在每个有机体略有不同,病毒通常非常不同。

生物大基因组,像人类一样,需要非常小心复制他们的遗传信息,因此非常有选择性的对不使用错误的核酸前体当复制他们。相反,病毒,通常有许多较小的基因组,使用类似的更宽容,但略有不同分子复制自己。这意味着化学物质类似于核酸的构建块,称为核苷酸,有时会损害一个有机体的生物化学比另一个。今天最重要的抗病毒药物使用的核苷酸(或核苷分子不同的去除磷酸基团)类似物,包括那些用于治疗艾滋病毒、疱疹病毒和病毒性肝炎。许多重要的抗癌药物也核苷酸或核苷类似物,如肿瘤细胞有时有突变,使其以不寻常的方式复制核酸。

“试图理解遗传的本质,怎么可能是体现,是最基本的研究可以做,但也有一些非常重要的实际应用,”合著者克里斯·布奇说,以前的特大规模集成,现在南京大学教授。

因为大多数科学家认为生物学的基础是遗传信息,而自然选择是不可能的,进化的生命起源研究的科学家们也关注的DNA或RNA从简单的化学物质可能发生自发原始地球上。一旦核酸存在,许多问题在生命的起源和早期演化意义。大多数科学家认为RNA进化前DNA,微妙的化学原因使DNA更稳定的RNA, DNA成为生活的硬盘。然而,研究在1960年代很快分裂理论起源领域两个:那些认为RNA是简单的“奥卡姆剃刀”答案origins-of-biology问题和看到了许多缺陷在核糖核酸的生物合成研究点的护甲。RNA仍然是一个复杂的分子,它是可能的结构简单的分子可以在它之前出现。

作者杰伊·古德温博士,埃默里大学的化学家说:“这是真正激动人心的考虑潜在的替代基因系统,基于这些类似的核苷——这些可能出现和发展在不同的环境中,甚至在我们太阳系其他行星或卫星。这些替代基因系统可能会扩大我们的生物学概念的“中心法则”到新的进化方向,反应和健壮的日益具有挑战性的环境中在地球上。”

检查所有这些基本问题,分子是第一,RNA和DNA的独特之处,同时通过身体使分子在实验室,是很困难的。另一方面,计算分子之前他们可能为化学家节省大量的时间。“我们感到惊讶,这个计算的结果,”马库斯Meringer合著者说,“这将是非常困难的先验估计,有超过一百万个核酸支架。现在我们知道,我们可以研究在实验室中测试这些。”

“这绝对是奇妙认为利用现代计算技术时我们会偶然发现新药寻找替代分子DNA和RNA可以储存遗传信息。这样的跨学科研究,让科学挑战性和有趣但有效的,”艾莫利大学的合著者Pieter汉堡说。

参考

克利夫斯等。(2019)一个在数百万:核酸的化学空间酸分子。《化学信息和建模。DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jcim.9b00632

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