Преди няколко милиарда години четири молекули танцуваха в елегантната структура с двойна спирала на ДНК, която осигурява кодовете за живот на нашата планета. Но дали тези четирима играчи са били основополагащи за появата на живота - или може ли и други да са породили нашия генетичен код?
Ново проучване, публикувано днес (20 февруари) в списание Science, подкрепя последното предложение: Учените наскоро формираха нов вид ДНК в елегантната му структура с двойна спирала и откриха, че има свойства, които могат да поддържат живота.
Но ако естествената ДНК е кратка история, тази синтетична ДНК е роман на Толстой.
Изследователите създадоха синтетичната ДНК, използвайки четири допълнителни молекули, така че полученият продукт имаше код, съставен от осем букви, а не от четири. С увеличаването на буквите тази ДНК имаше много по-голям капацитет за съхраняване на информация. Учените нарекоха новата ДНК „хачимоджи“ - което на японски означава „осем букви“ - разширяване на предишната работа от различни групи, създали подобна ДНК, използвайки шест букви.
Писане на кода
Естествената ДНК е съставена от четири молекули, наречени азотни бази, които се свързват една с друга, за да образуват кода за живот на Земята: А се свързва с Т; G се свързва с C. ДНК на Hachimoji включва тези четири естествени бази, плюс още четири синтетично направени нуклеотидни бази: P, B, Z и S.
Изследователската група, която включваше няколко различни екипа в САЩ, създаде стотици от тези двойни спирали на Hachimoji с различни комбинации от естествени и синтетични нуклеотидни двойки. След това те проведоха серия от експерименти, за да проверят дали различните двойни спирали имат свойства, необходими за поддържане на живота.
Естествената ДНК има отличително свойство, което никоя друга генетична молекула изглежда няма: Стабилна е и предсказуема. Това означава, че изследователите могат да изчислят как точно ще се държи при определени температури и условия, включително кога ще се влоши.
Но се оказва, че изследователите също са успели да направят това с ДНК на Хачимоджи - те биха могли да измислят набор от правила, които могат да предскажат стабилността на ДНК, когато тя е изложена на различни температури.
Изисквания към живота
Констатацията, че е възможно да се добавят четирите синтетични основи и все пак да се получи "код, който е предвидим и програмируем ... това е просто безпрецедентно", казва Флойд Ромесберг, професор по химия в Scripps Research в Калифорния, който не е бил част от проучването, но който по-рано публикувани изследвания на по-ранен шестбуквен код. Тази „забележителна хартия“ наистина подсказва, че G, C, A и T „не са уникални“, каза Ромесберг пред Live Science.
Старши автор Стивън Бенер,отличен колега от Фондацията за приложна молекулярна еволюция във Флорида, се съгласи. Ако някъде другаде във Вселената животът също е кодиран в ДНК, това няма да бъде "точно като това, което имаме тук на Земята", заяви Бенър пред Live Science. "Много е полезно да се провеждат подобни експерименти в лабораторията, за да се разбере какви алтернативни структури."
Но създаването на ДНК, която съхранява информация, не е достатъчно, отбеляза Бенър. Той също така трябва да има способността да прехвърля тази информация към нейната сестра молекула РНК, така че тогава РНК да може да инструктира протеините да извършват целия бизнес в организма.
Имайки това предвид, изследователите разработиха синтетични ензими - протеини, които улесняват реакцията - които успешно копират ДНК на Хачимоджи в РНК на Хачимоджи. Освен това те откриха, че молекулата на РНК е в състояние да се сгъне във вид на L форма, която да е необходима за по-нататъшно прехвърляне на информация.
Освен това нишките на ДНК трябва да могат да се усукват в една и съща триизмерна структура - известната двойна спирала.
Екипът създаде три кристални структури от ДНК на Hachimoji, всяка с различни поредици от осемте базови двойки и установява, че наистина всяка от тях е образувала класическата двойна спирала.
Все пак, за да може ДНК на Хачимоджи да поддържа живота, има пето изискване, каза Бенер. Тоест, тя трябва да бъде самоподдържаща се или да има способността да оцелява сама. Въпреки това, изследователите спряха да изследват тази стъпка, за да не позволят молекулата да се превърне в биологична опасност, която един ден да може да пробие в геномите на организмите на Земята.
Разширяващ се речник
Освен да виждаме алтернативи за живота в Космоса, това осембуквено ДНК направление има приложения и тук на нашата планета. Осембуквената генетична азбука ще съхранява повече информация и ще се свързва по-конкретно с определени цели, каза Бенер. Например ДНК на Hachimoji може да се използва за свързване с ракови клетки на черния дроб или токсини от антракс, или да се използва за ускоряване на химичните реакции.
"С увеличаването на броя на буквите от шест до осем, многообразието от последователности на ДНК значително се увеличава", казва Ичиро Хирао, синтетичен молекулен биолог в Института по биоинженеринг и нанотехнологии, A * STAR в Сингапур, който също не беше част от проучването , се казва в имейл. (Екипът на Хирао също участва в предишни изследвания, които създават шестбуквени нишки на ДНК)
Разбира се, „това е само първа демонстрация“ на осембуквена ДНК двойна спирала и за практическо използване трябва да подобрим точността и ефективността на репликацията и транскрипцията в РНК, каза Хирао в имейл. Той си въобразява, че в крайна сметка те може да успеят да надградят още повече букви.
