DNA只是數(shù)百萬(wàn)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(chǔ)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(chǔ)的可能替代方案仍然是很多未知的。使用復(fù)雜的計(jì)算方法東京工業(yè)大學(xué)地球生命科學(xué)研究所(ELSI)，德國(guó)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(wàn)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(xiàng)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(jiǎn)單的解釋。地球上所有的生物都將信息存儲(chǔ)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(bǔ)。將股線拉開時(shí)，在任一模板上復(fù)制補(bǔ)體將產(chǎn)生原始模板的兩個(gè)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(jī)體已經(jīng)發(fā)展出各種方法來確保在復(fù)制DNA時(shí)幾乎總是復(fù)制適當(dāng)?shù)淖帜感蛄?。堿基序列被蛋白質(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(huì)發(fā)生一些小錯(cuò)誤，而某些其他錯(cuò)誤有時(shí)是由環(huán)境誘變劑引起的。這些小錯(cuò)誤是自然選擇的麻煩：其中一些錯(cuò)誤會(huì)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(huì)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(wàn)花筒從卑鄙的細(xì)菌到老虎的生物形態(tài)萬(wàn)花筒的根本原因：核酸中存儲(chǔ)的信息允許生物學(xué)中的“記憶”。但是，DNA和RNA是存儲(chǔ)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(gè)，甚至還有一百萬(wàn)個(gè)。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(chǔ)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(chǔ)系統(tǒng)。RNA與DNA的區(qū)別在于存在單個(gè)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(gè)分子實(shí)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(huì)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(gè)角色，后來被選擇滅絕了?

長(zhǎng)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(yùn)的是，在每個(gè)生物體中管理核酸復(fù)制的細(xì)胞機(jī)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(shí)需要非常小心，因此在復(fù)制核酸時(shí)要避免選擇錯(cuò)誤的前體時(shí)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(shí)會(huì)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?yàn)榘┘?xì)胞有時(shí)會(huì)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(shí)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(jiǎn)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(duì)生物學(xué)起源問題的簡(jiǎn)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(gè)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(duì)生物學(xué)的“中心教條”的概念擴(kuò)展到新的進(jìn)化方向，以應(yīng)對(duì)地球上日益嚴(yán)峻的環(huán)境，并具有強(qiáng)大的適應(yīng)性。”

哪個(gè)分子先出現(xiàn)?是什么使RNA和DNA獨(dú)一無(wú)二?通過在實(shí)驗(yàn)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(duì)其進(jìn)行計(jì)算可能會(huì)為化學(xué)家節(jié)省大量時(shí)間。共同作者馬庫(kù)斯·梅林格(Markus Meringer)博士說：“我們對(duì)這種計(jì)算的結(jié)果感到驚訝。” “這將是很難估計(jì)的先驗(yàn)，有超過一百萬(wàn)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(cè)試，這些在實(shí)驗(yàn)室。”

“絕對(duì)令人著迷的是，通過使用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)，我們可能會(huì)在尋找可以存儲(chǔ)遺傳信息的DNA和RNA的替代分子時(shí)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。