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除了DNA之外,遺傳分子還可以有幾百萬種形式?

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生物將信息編碼儲存在DNARNA中,這兩種複雜的分子能很好地調控生物的功能。但它們是儲存分子遺傳信息的唯一途徑嗎?一些科學家認為,在核酸出現之前生命不可能存在。因此,了解核酸是如何在原始地球上形成的是基礎研究的一個基本目標。

來自東京工業大學地球生命科學研究所、德國航空航天中心和埃默里大學的科學家利用複雜的計算方法,探索了核酸類似物的「化學鄰域」。令人驚訝的是,他們發現了超過100萬種變體,這開啟了一個尚未探索的、巨大的化學宇宙,它關係著藥理學、生物化學及理解生命起源的研究。這項研究揭示的分子可以被進一步改造,產生數以億計潛在的藥物。

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核酸最早發現於19世紀,但直到20世紀,科學家才了解它們的組成、生物學作用和功能。1953年,沃森克里克發現了DNA的雙螺旋結構,揭示了其生物和進化功能的基本解釋。

地球上的所有生物都將信息儲存在DNA中,DNA由兩條聚合物鏈組成,兩條長鏈纏繞在一起,相互補充。當兩條鏈被拉開時,複製每一條模板上的補碼就能最終得到原始模板的兩個副本。DNA聚合物本身是由一系列「字母」組成的,這些字母代表著鹼基,它們包括腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T),生物已經進化出各種方法,確保在DNA複製過程中複製出正確的字母序列。DNA鹼基序列可以被轉錄成RNA,隨後被翻譯成蛋白質序列。蛋白質本身能參與大量精細調控的化學過程,這些化學過程造就了生命。

在DNA複製的過程中偶爾會出些小錯,還有一些錯誤有時是環境誘變因素引發的。這些小錯誤都是自然選擇的素材:由其中一些錯誤所產生的序列能使生物更好地適應環境,但多數錯誤幾乎不會造成任何後果,而還有很多錯誤可能是致命的。有利於宿主生存的新序列就像一種棘輪,它使生物能夠適應不斷變化的環境挑戰。從不起眼的細菌到兇猛的老虎,這就是地球上生物形態千變萬化的根本原因,儲存在核酸中的信息可以讓生物有「記憶」。

雖然病毒是否算生物仍存爭議,但病毒同樣使用核酸來儲存遺傳信息,儘管有些病毒使用RNA(一種DNA的微小變體)作為它們的分子儲存系統。RNA與DNA的組成區別主要在於五碳糖的不同,但總的來說,RNA與DNA非常相似。值得注意的是,它們基本上是地球上各種各樣的生物共用的兩種遺傳物質。

生物學家和化學家一直在想為什麼會這樣。只有它們能發揮這種功能嗎?如果不是,或許它們是最合適的?有沒有其他分子在進化過程中曾經扮演過相同的角色,但後來被取代了?

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大多數科學家認為生物學的基礎是可遺傳的信息,沒有這些信息,自然選擇是不可能發生的,因此研究生命起源的進化生物學家也把注意力放在了從可能在原始地球上自發產生的簡單化學物質中提取DNA或RNA的方法上。

許多科學家相信,RNA在DNA之前進化是有其微妙的化學原因的。DNA因此比RNA穩定得多,DNA成了生命的硬碟。然而,RNA仍然是一個複雜的分子,在它出現之前,結構上更簡單的分子或許曾佔據著它的位置。

哪種分子最先出現?是什麼使RNA和DNA成為獨一無二的物質?在實驗室里製造分子是很難探索這些基本問題的。另一方面來說,在製造分子之前計算分子可能會節省化學家很多時間。然而最新研究的計算結果令人驚訝,現在我們知道了超過一百萬個類似核酸的結構,科學家可以開始研究在實驗室測試其中一些。

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核酸在生物學中的核心重要性也使它們長期以來成為化學家的藥物靶標。如果一種藥物能抑制一種生物或病毒產生具有相似感染性後代的能力,它就能有效地殺死生物或病毒。毀了一種生物或病毒的遺傳物質是殺死它的好辦法。幸運的是,在每種生物中管理核酸複製的細胞機制略有不同,而在病毒中,則往往有更大的差異。

擁有大量基因組的生物,比如人類,在複製其遺傳信息時需要非常小心,因此在複製其核酸時,它們一般非常有選擇性地避免錯誤的前體。相反,病毒的基因組通常小得多,病毒對使用相似但稍有不同的分子進行自我複製的容忍度更高。也就是說,類似核苷酸的化學物質,有時會對一種生物比另一種生物在生物化學上造成更大的傷害

如今使用的大多數重要的抗病毒藥物是核苷酸或核苷類似物,包括用於治療艾滋病毒、皰疹和病毒性肝炎的藥物。許多重要的抗癌藥物也是核苷酸或核苷類似物,因為癌細胞有時有突變,使它們以不尋常的方式複製核酸。

「利用現代計算技術,我們在尋找能夠儲存遺傳信息的DNA和RNA的替代分子時,可能會偶然發現新的藥物,這十分令人著迷。正是這樣的跨學科研究使得科學充滿挑戰和樂趣,同時也使科學產生了更大的影響。」論文合著者、埃默里大學的Pieter Burger博士說。

參考來源:

https://phys.org/news/2019-11-dna-millions-genetic-molecules.html

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