DNA只是數(shù)百萬種可能的遺傳分子中的一種

生物學(xué)將信息編碼為DNA和RNA，這些信息是根據(jù)其功能微調(diào)的復(fù)雜分子。但是，它們是存儲遺傳分子信息的唯一方法嗎?一些科學(xué)家認(rèn)為，我們所知道的生命不可能在核酸存在之前就已經(jīng)存在。因此，了解它們?nèi)绾卧谠嫉厍蛏洗嬖谑腔A(chǔ)研究的基本目標(biāo)。

核酸在生物信息流中的核心作用也使其成為藥物研究的關(guān)鍵目標(biāo)，而模仿核酸的合成分子構(gòu)成了許多治療包括HIV在內(nèi)的病毒性疾病的基礎(chǔ)。其他類似核酸的聚合物是已知的，但是關(guān)于遺傳信息存儲的可能替代方案仍然是很多未知的。使用復(fù)雜的計算方法東京工業(yè)大學(xué)地球生命科學(xué)研究所(ELSI)，德國航空航天中心(DLR)和埃默里大學(xué)的科學(xué)家們探索了核酸類似物的“化學(xué)鄰居”。令人驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)了超過一百萬種變體，表明與藥理學(xué)，生物化學(xué)和了解生命起源的努力相關(guān)的廣闊的，尚未探索的化學(xué)領(lǐng)域。這項研究揭示的分子可以進(jìn)一步修飾以產(chǎn)生數(shù)億潛在的藥物線索。

核酸最早是在19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的，但是直到20世紀(jì)，科學(xué)家們才了解它們的組成，生物學(xué)作用和功能。Watson和Crick在1953年發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，為生物學(xué)和進(jìn)化功能提供了簡單的解釋。地球上所有的生物都將信息存儲在DNA中，該信息由兩條聚合物鏈組成，就像一條杖一樣，彼此纏繞，彼此互補。將股線拉開時，在任一模板上復(fù)制補體將產(chǎn)生原始模板的兩個副本。DNA聚合物本身由一系列“字母”組成，這些堿基包括腺嘌呤(A)，鳥嘌呤(G)，胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)，生命有機體已經(jīng)發(fā)展出各種方法來確保在復(fù)制DNA時幾乎總是復(fù)制適當(dāng)?shù)淖帜感蛄小A基序列被蛋白質(zhì)復(fù)制到RNA中，然后被讀入蛋白質(zhì)序列。蛋白質(zhì)本身可以進(jìn)行許多精細(xì)的化學(xué)過程，使生命成為可能。

在DNA復(fù)制過程中，偶爾會發(fā)生一些小錯誤，而某些其他錯誤有時是由環(huán)境誘變劑引起的。這些小錯誤是自然選擇的麻煩：其中一些錯誤會導(dǎo)致產(chǎn)生更適合的生物的序列，盡管大多數(shù)影響不大。但是，許多人可能會致命。新序列有利于宿主存活的能力是“棘輪”，使生物學(xué)能夠適應(yīng)不斷變化的環(huán)境挑戰(zhàn)。這是萬花筒從卑鄙的細(xì)菌到老虎的生物形態(tài)萬花筒的根本原因：核酸中存儲的信息允許生物學(xué)中的“記憶”。但是，DNA和RNA是存儲此信息的唯一方法嗎?還是只是最好的方法，

“生物學(xué)中有兩種核酸，也許有20或30種有效的核酸結(jié)合核酸類似物。我們想知道是否還有一個，甚至還有一百萬個。答案是，似乎ELSI教授Jim Cleaves說。

盡管生物學(xué)家不認(rèn)為它們是生物，但是病毒也使用核酸來存儲其遺傳信息，盡管有些病毒使用RNA(DNA上的微小變異)作為分子存儲系統(tǒng)。RNA與DNA的區(qū)別在于存在單個原子取代，但總的來說，RNA的作用與DNA相似。值得注意的是，這兩個分子實際上是地球上各種令人難以置信的生物中唯一使用的分子。

生物學(xué)家和化學(xué)家一直想知道為什么會這樣。這些是唯一可以執(zhí)行此功能的分子嗎?如果不是，那也許是最好的嗎?是否有其他分子曾經(jīng)在進(jìn)化過程中扮演過這個角色，后來被選擇滅絕了?

長期以來，核酸在生物學(xué)中的重要地位也使它們成為化學(xué)家的藥物靶標(biāo)。如果藥物可以抑制生物體或病毒產(chǎn)生類似傳染性后代的能力，則可以有效殺死該生物體或病毒。掩蓋生物或病毒的遺傳是殺死它的好方法。幸運的是，在每個生物體中管理核酸復(fù)制的細(xì)胞機制都略有不同，而在病毒中則常常大不相同。

具有大型基因組的生物(如人類)在復(fù)制其遺傳信息時需要非常小心，因此在復(fù)制核酸時要避免選擇錯誤的前體時要非常有選擇性。相反，通常具有較小基因組的病毒更能容忍使用相似但略有不同的分子進(jìn)行自我復(fù)制。這意味著類似于核酸組成部分的化學(xué)物質(zhì)(稱為核苷酸)有時會比另一種生物更損害一種生物的生物化學(xué)。當(dāng)今使用的大多數(shù)重要抗病毒藥物都是核苷酸或核苷類似物，包括那些用于治療HIV，皰疹和病毒性肝炎的藥物。許多重要的癌癥藥物也是核苷酸或核苷類似物，因為癌細(xì)胞有時會發(fā)生突變，使其復(fù)制核酸以不尋常的方式。

“試圖了解遺傳的本質(zhì)以及如何將其體現(xiàn)出來，這是人們可以做的最基礎(chǔ)的研究，但它也有一些非常重要的實際應(yīng)用，”前ELSI和現(xiàn)為南京大學(xué)教授。

由于大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為生物學(xué)的基礎(chǔ)是可遺傳的信息，如果沒有遺傳信息，就不可能進(jìn)行自然選擇，因此研究生命起源的進(jìn)化科學(xué)家也致力于從可能自發(fā)發(fā)生在原始地球上的簡單化學(xué)物質(zhì)制造DNA或RNA的方法。大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，出于微妙的化學(xué)原因，RNA比DNA早進(jìn)化。因此，DNA比RNA穩(wěn)定得多，DNA成為生命的硬盤。然而，在1960年代的研究很快將理論起源領(lǐng)域分為兩部分：將RNA視為對生物學(xué)起源問題的簡單“奧卡姆剃刀”答案的人，以及將RNA視為生物學(xué)合成的鎧甲的許多紐帶。RNA仍然是一個復(fù)雜的分子，

共同作者，埃默里大學(xué)化學(xué)家杰伊·古德溫博士說：“考慮到基于這些類似核苷的替代遺傳系統(tǒng)的潛力-可能在不同的環(huán)境中出現(xiàn)和進(jìn)化，可能真的很令人興奮。這些替代的遺傳系統(tǒng)可能將我們對生物學(xué)的“中心教條”的概念擴展到新的進(jìn)化方向，以應(yīng)對地球上日益嚴(yán)峻的環(huán)境，并具有強大的適應(yīng)性。”

哪個分子先出現(xiàn)?是什么使RNA和DNA獨一無二?通過在實驗室中物理制備分子來探索這些基本問題是困難的。另一方面，在制造分子之前先對其進(jìn)行計算可能會為化學(xué)家節(jié)省大量時間。共同作者馬庫斯·梅林格(Markus Meringer)博士說：“我們對這種計算的結(jié)果感到驚訝。” “這將是很難估計的先驗，有超過一百萬nucleic- 酸像支架。現(xiàn)在我們知道了，我們可以開始尋找到一些測試，這些在實驗室。”

“絕對令人著迷的是，通過使用現(xiàn)代計算技術(shù)，我們可能會在尋找可以存儲遺傳信息的DNA和RNA的替代分子時偶然發(fā)現(xiàn)新藥。正是這種跨學(xué)科研究使科學(xué)具有挑戰(zhàn)性和樂趣。但仍然具有影響力。”合著者埃默里大學(xué)的彼得·伯格博士說。