DNA只是数百万可能的遗传分子中的一种 - 用于生命来源的线索和寻求外星生物学

科学家们发现有很可能有数百万的存储生物信息。但为什么生物学这样做是这样做的？

科学家计算了数百万个替代遗传聚合物分子结构的动物园，为什么生物学编码信息如何做出，并为新药物提供潜在的导致搜索外星生物学的指南。

生物学对DNA和RNA中的信息进行编码，其是复杂的分子精确调谐到其功能。但它们是存储遗传分子信息的唯一方法吗？一些科学家认为生活在核酸之前，我们知道它不能存在，因此了解他们如何存在于原始地球上是基础研究的基本目标。核酸在生物信息流中的核心作用也使它们成为药物研究的关键目标，而模仿核酸的合成分子形成了许多治疗病毒疾病的基础，包括艾滋病毒。

关于遗传信息存储的可能替代方案，其他核酸样聚合物是已知的，但是仍然是未知的遗传信息存储的替代方案。采用复杂的计算方法，来自地球生命科学研究所（ELSI）的科学家在东京技术学院，德国航天中心（DLR）和埃默里大学探索了核酸类似物的“化学邻域”。令人惊讶的是，他们发现超过一百万个变种，暗示了与药理学，生物化学以及理解生命起源的努力相关的巨大未开发的化学宇宙。本研究揭示的分子可以进一步修饰，以提供数亿潜在的药物药物。

核酸首先在19世纪中鉴定，但科学家直到20世纪，科学家们都没有理解它们的组成，生物学作用和功能。1953年，Watson和Crick的DNA双螺旋结构发现了一种简单的解释，对生物学和进化功能如何。地球上的所有生物都在DNA中的信息，它由两个聚合物股线彼此像颈部缠绕在一起，每个股线是另一个股线。当股线被拉开时，在原始的两份副本中复制补码。DNA聚合物本身由一系列“字母”，碱腺嘌呤（A），鸟嘌呤（G），胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）组成，生物体已经进化了方法，以确保在DNA复制中适当的字母序列几乎总是复制。通过蛋白质将碱基序列复制到RNA中，然后将其读入蛋白质序列。然后，蛋白质本身使仙境的精细调整的化学过程使生活成为可能。

在DNA复制期间偶尔会出现小错误，其他人有时会被环境诱变剂引入。这些小误差是自然选择的饲料：其中一些误差导致产生雄性生物的序列，但大多数效果不大，而且许多甚至证明了致命的效果。新序列允许其主机更好地生存的能力是“棘轮”，它允许生物学几乎神奇地适应环境提供的不断变化的挑战。这是我们在我们身边看到的生物学形式的万花筒的基本原因，从卑微的细菌到老虎，储存在核酸中的信息允许“记忆”在生物学中。但是DNA和RNA存储这些信息的唯一方法吗？或者他们也许只是最好的方式，只有在数百万年的进化修补后发现了？

“生物学中存在两种核酸，以及20或30个有效核酸结合核酸类似物。我们想知道是否还有一个甚至更多的东西。答案是，似乎有许多人，比预期的更多，“埃尔西教授吉姆劈开了。

虽然生物学家不认为有生物，但病毒也使用核酸来存储其遗传信息，尽管一些病毒在DNA，RNA上使用轻微变体，作为它们的分子储存系统。RNA与单一原子取代存在的DNA不同，但总体RNA通过非常相似的分子规则作为DNA发挥。显着的事情是在地球上令人难以置信的各种生物中，这两种分子基本上是唯一的生物学用途。

生物学家和化学家长期以来一直想知道为什么这应该是。这些可以执行此功能的唯一分子吗？如果不是，他们也许是最好的，也就是说，其他分子可以发挥这种作用，也许生物学在进化期间尝试过他们？

生物学中核酸的核心重要性也长期以来使其成为化学家的药物靶标。如果药物可以抑制生物体或病毒的能力，以通过其对后代感染的知识，它有效地杀死了生物体或病毒。消除生物体或病毒的遗传是敲毁它死亡的好方法。幸运的是，对于化学家而言，我们所有人中，在每个生物体中管理核酸复制的细胞机械略有不同，并且在病毒通常非常不同。

具有大型基因组的生物，如人，需要非常小心复制其遗传信息，因此在复制它们的核酸时不使用错误的前体是非常选择的。相反，通常具有更小的基因组的病毒更耐受使用类似但略微不同的分子来复制自己。这意味着类似于核酸的构建块的化学物质，称为核苷酸，有时会损害一个生物的生物化学比另一个生物的生物化学。今天使用的大多数重要的抗病毒药物是核苷酸（或核苷，它们通过除去磷酸基团的分子不同）类似物，包括用于治疗HIV，疱疹和病毒性肝炎的那些。许多重要的癌症药物也是核苷酸或核苷类似物，因为癌细胞有时具有使它们以异常方式复制核酸的突变。

“试图了解遗传的本质，又可以体现出来，就是关于一个人可以做的最基本的研究，但它也有一些非常重要的实际应用，”联合作者克里斯·布拉奇（Elsi）说：现在是南京大学教授。

由于大多数科学家认为生物学的基础是遗传信息，没有哪些自然选择是不可能的，研究生命起源的进化科学家也集中于从可能在原始地球上自发发生的简单化学品制备DNA或RNA的方式。一旦存在核酸，生命的起源和早期进化的起源存在许多问题就会有意义。大多数科学家认为RNA在DNA之前演变，并且具有使DNA比RNA更稳定的细微化学原因，DNA成为生命的硬盘。然而，在20世纪60年代很快就研究了理论起源领域：那些看到RNA作为简单的“冬季的剃刀”的答案，答案到了生物学问题的起源问题以及那些在RNA的侵袭性盔甲中看到许多扭结的人。RNA仍然是一个复杂的分子，并且可以在其出现之前在其位置提供结构上更简单的分子。

与埃默里大学的化学家杰伊·古德温博士表示，“这真的很激动人令人兴奋，基于这些类似的核苷，考虑替代遗传系统的潜力 - 这些可能已经出现并在不同的环境中进化，也许甚至在其他环境中我们太阳系中的行星或卫星。这些替代的遗传系统可能会扩大我们对新进化方向的生物学“中央教条”的构想，以响应和鲁棒在地球上越来越具有挑战性的环境。“

检查所有这些基本问题，哪些分子首先是，关于RNA和DNA的独特是什么，即一次性通过实验室在实验室中进行分子。另一方面，计算分子在使它们可能潜在地保存化学家大量时间。“我们对这一计算的结果感到惊讶，”Co-Author博士·梅林格说：“估计有超过一百万核酸如支架，估计有超过一百万核酸的先验，这将是非常困难的。现在我们知道，我们可以开始在实验室中考验其中一些。“

“认为，通过使用现代计算技术，我们可能在寻找可以存储遗传信息的DNA和RNA的替代分子时，我们可能会偶然发现新药。这是跨学科的研究，如这使得科学挑战性和有趣但却是有影响力的，“埃默里大学的联合作用的Pieter汉堡博士说。

参考：“在数百万里之一：核酸样分子的化学空间“由亨德森詹姆斯劈开II，克里斯托弗·堡，Pieter Buys Burger，Jay Goodwin和Markus Meringer，2019年9月9日，化学信息和建模杂志。