DNA er kun et blandt millioner af mulige genetiske molekyler

Biologi koder information i DNA og RNA, som er komplekse molekyler finjusteret til deres funktioner. Men er de den eneste måde at gemme arvelig molekylær information? Nogle forskere mener, at livet, som vi kender det, ikke kunne have eksisteret, før der var nukleinsyrer. Dermed, at forstå, hvordan de opstod på den primitive jord, er et grundlæggende mål for grundforskning.

Nukleinsyrers centrale rolle i biologisk informationsstrøm gør dem også til centrale mål for farmaceutisk forskning, og syntetiske molekyler, der efterligner nukleinsyrer, danner grundlag for mange behandlinger for virussygdomme, herunder hiv. Andre nukleinsyrelignende polymerer er kendt, alligevel er meget ukendt med hensyn til mulige alternativer til opbevaring af arvelig information. Ved hjælp af sofistikerede beregningsmetoder, forskere fra Earth-Life Science Institute (ELSI) ved Tokyo Institute of Technology, det tyske luftfartscenter (DLR) og Emory University udforskede det "kemiske kvarter" af nukleinsyreanaloger. Overraskende, de fandt langt over 1 million varianter, tyder på en stor, uudforsket univers af kemi relevant for farmakologi, biokemi og bestræbelser på at forstå livets oprindelse. Molekylerne afsløret af denne undersøgelse kan modificeres yderligere for at producere hundredvis af millioner af potentielle farmaceutiske lægemiddelledninger.

Nukleinsyrer blev først identificeret i det 19. århundrede, men deres sammensætning, biologisk rolle og funktion blev først forstået af forskere i det 20. århundrede. Opdagelsen af ​​DNA's dobbelt-spiralformede struktur af Watson og Crick i 1953 afslørede en simpel forklaring på biologiske og evolutionære funktioner. Alle levende ting på Jorden gemmer information i DNA, som består af to polymertråde viklet om hinanden som en caduceus, med hver streng, der supplerer den anden. Når trådene trækkes fra hinanden, kopiering af komplementet på hver skabelon resulterer i to kopier af originalen. Selve DNA -polymeren består af en sekvens af "bogstaver, "baserne adenin (A), guanine (G), cytosin (C) og thymin (T), og levende organismer har udviklet måder at sikre, at den passende sekvens af bogstaver næsten altid gengives under DNA -kopiering. Basesekvensen kopieres til RNA af proteiner, som derefter læses ind i en proteinsekvens. Proteinerne selv muliggør et væld af finjusterede kemiske processer, der gør livet muligt.

Små fejl opstår lejlighedsvis under DNA -kopiering, og andre introduceres undertiden af ​​miljømutagener. Disse små fejl er foder til naturligt udvalg:Nogle af disse fejl resulterer i sekvenser, der producerer montører, selvom de fleste har ringe effekt; imidlertid, mange kan vise sig dødelige. Nye sekvensers evne til at favorisere værtens overlevelse er "skralden", der gør det muligt for biologien at tilpasse sig miljøets konstant skiftende udfordringer. Dette er den underliggende årsag til kalejdoskopet af biologiske former på Jorden, fra ydmyge bakterier til tigre:Oplysningerne lagret i nukleinsyrer giver mulighed for "hukommelse" i biologien. Men er DNA og RNA den eneste måde at gemme disse oplysninger på? Eller er de måske bare den bedste måde, først opdaget efter millioner af år med evolutionær tinkering?

"Der er to slags nukleinsyrer i biologien, og måske 20 eller 30 effektive nukleinsyrebindende nukleinsyreanaloger. Vi ville vide, om der er en mere at finde eller endda en million mere. Svaret er, der ser ud til at være mange flere end forventet, "siger professor Jim Cleaves fra ELSI.

Selvom biologer ikke betragter dem som organismer, vira bruger også nukleinsyrer til at gemme deres arvelige oplysninger, selvom nogle vira bruger RNA, en lille variant af DNA, som deres molekylære lagersystem. RNA adskiller sig fra DNA ved tilstedeværelsen af ​​et enkelt atomsubstitution, men generelt set RNA spiller efter meget lignende molekylære regler som DNA. Det bemærkelsesværdige er, at disse to molekyler stort set er de eneste, der bruges blandt de utrolige mange forskellige organismer på Jorden.

Biologer og kemikere har længe undret sig over, hvorfor dette skulle være. Er det de eneste molekyler, der kan udføre denne funktion? Hvis ikke, er de måske de bedste? Spillede andre molekyler engang denne rolle under evolution, der efterfølgende blev udvalgt til udryddelse?

Nukleinsyrernes centrale betydning i biologien har også længe gjort dem til lægemiddelmål for kemikere. Hvis et lægemiddel kan hæmme organismens eller virusens evne til at producere lignende infektiøse afkom, det dræber effektivt organismer eller virus. At tygge arveligheden af ​​en organisme eller virus er en fantastisk måde at slå den ihjel. Heldigvis, det cellulære maskineri, der administrerer nukleinsyrekopiering i hver organisme, er lidt anderledes, og i vira, ofte meget forskellige.

Organismer med store genomer, ligesom mennesker, skal være meget forsigtige med at kopiere deres arvelige oplysninger, og er derfor meget selektive med hensyn til at undgå de forkerte forstadier, når de kopierer deres nukleinsyrer. Omvendt vira, som generelt har meget mindre genomer, er meget mere tolerante over for at bruge lignende, men lidt forskellige molekyler til at kopiere sig selv. Dette betyder kemikalier, der ligner byggestenene i nukleinsyrer, kendt som nukleotider, undertiden kan forringe biokemien for en organisme mere end en anden. De fleste af de vigtige antivirale lægemidler, der bruges i dag, er nukleotid- eller nukleosidanaloger, herunder dem, der bruges til behandling af hiv, herpes og viral hepatitis. Mange vigtige kræftlægemidler er også nukleotid- eller nukleosidanaloger, som kræftceller undertiden har mutationer, der får dem til at kopiere nukleinsyrer på usædvanlige måder.

"Forsøger at forstå arveligheden, og hvordan den ellers kan komme til udtryk, er næsten den mest grundlæggende forskning, man kan lave, men det har også nogle virkelig vigtige praktiske anvendelser, "siger medforfatter Chris Butch, tidligere ELSI og nu professor ved Nanjing University.

Da de fleste forskere mener, at grundlaget for biologi er arvelige oplysninger, uden hvilken naturlig udvælgelse ville være umulig, evolutionære forskere, der studerer livets oprindelse, har også fokuseret på måder at lave DNA eller RNA fra simple kemikalier, der kunne have fundet sted spontant på den primitive jord. De fleste forskere tror, ​​at RNA udviklede sig før DNA af subtile kemiske årsager. DNA er således meget mere stabilt end RNA, og DNA blev livets harddisk. Imidlertid, forskning i 1960'erne splittede hurtigt det teoretiske oprindelsesfelt i to:dem, der så RNA som det enkle "Occam's Razor" -svar på biologiens oprindelsesproblem, og dem, der så de mange knæk i rustningen af ​​RNA's abiologiske syntese. RNA er stadig et kompliceret molekyle, og det er muligt, at strukturelt enklere molekyler kunne have tjent i stedet, før de opstod.

Medforfatter Dr. Jay Goodwin, siger en kemiker ved Emory University, "Det er virkelig spændende at overveje potentialet for alternative genetiske systemer baseret på disse analoge nukleosider - at disse muligvis kan være opstået og udviklet sig i forskellige miljøer, måske endda på andre planeter eller måner i vores solsystem. Disse alternative genetiske systemer kan udvide vores opfattelse af biologiens 'centrale dogme' til nye evolutionære retninger, som reaktion og robust til stadig mere udfordrende miljøer her på Jorden. "

Hvilket molekyle kom først? Hvad gør RNA og DNA unikt? Det er svært at undersøge sådanne grundlæggende spørgsmål ved fysisk at lave molekyler i laboratoriet. På den anden side, computermolekyler, før de laves, kan potentielt spare kemikere meget tid. "Vi blev overrasket over resultatet af denne beregning, "siger medforfatter Dr. Markus Meringer." Det ville være meget svært at estimere på forhånd, at der er mere end en million nukleinsyre-lignende stilladser. Nu ved vi, og vi kan begynde at undersøge nogle af disse i laboratoriet. "

"Det er helt fascinerende at tænke på, at ved at bruge moderne beregningsteknikker, vi kan snuble over nye lægemidler, når vi leder efter alternative molekyler til DNA og RNA, der kan lagre arvelig information. Det er tværfaglige undersøgelser som dette, der gør videnskaben udfordrende og sjov, men alligevel effektfuld, "siger medforfatter Dr. Pieter Burger, også fra Emory University.