stringtranslate.com

ДНК Хачимоджи

Двойная спираль естественной ДНК. ДНК Хатимодзи имеет похожую структуру.

Hachimoji DNA (от японского 八文字 hachimoji , «восемь букв») — это синтетический аналог нуклеиновой кислоты , который использует четыре синтетических нуклеотида в дополнение к четырем, присутствующим в природных нуклеиновых кислотах , ДНК и РНК. Это приводит к четырем разрешенным парам оснований : две неестественные пары оснований, образованные синтетическими азотистыми основаниями в дополнение к двум нормальным парам. Основания Hachimoji были продемонстрированы как в аналогах ДНК, так и в аналогах РНК, используя дезоксирибозу и рибозу соответственно в качестве основного сахара. [1] [2] [3] [4] [5]

Преимущества такой системы нуклеиновых кислот могут включать улучшенную способность хранить данные , а также понимание того, что может быть возможным в поиске внеземной жизни . [5] [6]

Система ДНК хатимодзи продуцировала in vitro один тип каталитической РНК ( рибозим или аптамер ) .

Описание

Природная ДНК — это молекула, несущая генетические инструкции, используемые для роста, развития, функционирования и размножения всех известных живых организмов и многих вирусов . ДНК и рибонуклеиновая кислота (РНК) — это нуклеиновые кислоты ; наряду с белками , липидами и сложными углеводами ( полисахаридами ), нуклеиновые кислоты являются одним из четырех основных типов макромолекул , которые необходимы для всех известных форм жизни . ДНК — это полинуклеотид , поскольку он состоит из более простых мономерных единиц, называемых нуклеотидами ; в двухцепочечном состоянии две цепи скручиваются друг вокруг друга, образуя двойную спираль . [7] [8]

В естественной ДНК каждый нуклеотид состоит из одного из четырех азотистых оснований ( цитозин [C], гуанин [G], аденин [A] или тимин [T]), сахара, называемого дезоксирибозой , и фосфатной группы . Нуклеотиды соединены друг с другом в цепь ковалентными связями между сахаром одного нуклеотида и фосфатом следующего, в результате чего образуется чередующийся сахаро-фосфатный остов . Азотистые основания двух отдельных полинуклеотидных цепей связаны друг с другом водородными связями в соответствии с правилами спаривания оснований (A с T и C с G), образуя двухцепочечную ДНК.

ДНК хатимодзи похожа на природную ДНК, но отличается количеством и типом азотистых оснований. [1] [5] Неприродные азотистые основания, более гидрофобные , чем природные основания , [9] [10] используются в успешной ДНК хатимодзи. Такая ДНК всегда образовывала стандартную двойную спираль , независимо от того, какая последовательность оснований использовалась. Фермент ( полимераза Т7 ) был адаптирован исследователями для использования in vitro для транскрипции ДНК хатимодзи в РНК хатимодзи, которая, в свою очередь, производила химическую активность в виде светящегося зеленого флуорофора . [4] [5]

Новые пары оснований

ДНК и РНК естественным образом состоят из четырех нуклеотидных оснований, которые образуют водородные связи для спаривания. ДНК хатимодзи использует дополнительные четыре синтетических нуклеотида для формирования четырех типов пар оснований, два из которых являются неестественными: P связывается с Z , а B связывается с S ( dS в ДНК , rS в РНК ). [1]

Спаривание оснований в ДНК hachimoji (слева, dR = дезоксирибоза ) и РНК hachimoji (справа, R = рибоза ). [1]
Естественные основания находятся в верхнем ряду; неестественные, синтетические основания находятся в нижнем ряду.
Водородные связи обозначены пунктирными зелеными линиями, атомы-акцепторы — красным.

Фон

Ранее исследовательская группа, ответственная за систему ДНК хатимодзи, во главе с химиком из Гарвардского университета Стивеном Беннером , изучала синтетическую аналоговую систему ДНК , названную «Искусственно расширенная генетическая информационная система» (AEGIS), которая использовала двенадцать различных нуклеотидов, включая четыре, обнаруженных в ДНК. [11] [12] [13] [14] [15]

Биология

Химик из Scripps Research Флойд Ромесберг , известный созданием первой неестественной пары оснований (UBP) и расширением генетического алфавита с четырех букв до шести в 2012 году, [16] заявил, что изобретение системы ДНК хатимодзи является примером того, что естественные основания (G, C, A и T) «не являются уникальными». [17] [18] Создание новых форм жизни может быть возможным, по крайней мере, теоретически, [9] с новой системой ДНК. [18] Однако на данный момент система ДНК хатимодзи не является самоподдерживающейся; системе требуется постоянный запас уникальных строительных блоков и белков, которые можно найти только в лаборатории. В результате «ДНК хатимодзи не сможет никуда деться, если она покинет лабораторию». [4]

Приложения

NASA финансировало это исследование, чтобы «расширить сферу структур, с которыми мы можем столкнуться, когда ищем жизнь в космосе». [1] По словам Лори Глэйз из Планетарного научного отдела NASA, «Обнаружение жизни становится все более важной целью планетарных научных миссий NASA, и эта новая работа [с ДНК хатимодзи] поможет нам разработать эффективные инструменты и эксперименты, которые расширят сферу того, что мы ищем». [3] [19] Руководитель исследовательской группы Стивен Беннер отмечает: «Тщательно анализируя роли формы, размера и структуры в ДНК хатимодзи, эта работа расширяет наше понимание типов молекул , которые могут хранить информацию о внеземной жизни в инопланетных мирах». [20]

По словам исследователей, [1] ДНК хатимодзи также может быть использована «для разработки чистой диагностики заболеваний человека , в цифровом хранении данных ДНК , штрихкодировании ДНК , самоорганизующихся наноструктурах и для создания белков с необычными аминокислотами . Части этой ДНК хатимодзи уже производятся в коммерческих целях компанией Firebird Biomolecular Sciences LLC». [1] [4]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefghijk Hoshika S, Leal NA, Kim MJ, Kim MS, Karalkar NB, Kim HJ, Bates AM, Watkins NE, SantaLucia HA, Meyer AJ, DasGupta S, Ellington AD, SantaLucia J, Georgiadis MM, Benner SA (февраль 2019 г.). «ДНК и РНК хатимодзи: генетическая система с восемью строительными блоками». Science . 363 (6429): 884–887. Bibcode :2019Sci...363..884H. doi :10.1126/science.aat0971. PMC  6413494 . PMID  30792304.
  2. ^ Американская ассоциация содействия развитию науки (21 февраля 2019 г.). «Хатимодзи — расширение генетического алфавита с четырёх до восьми». EurekAlert! . Получено 22 февраля 2019 г. .
  3. ^ ab Brown D, Landau E (21 февраля 2019 г.). «Исследования создают молекулу, похожую на ДНК, для помощи в поиске инопланетной жизни». Phys.org . Получено 22 февраля 2019 г. .
  4. ^ abcd Dumé B (22 февраля 2019 г.). «ДНК Хачимодзи удваивает генетический код». Physics World . Получено 22 февраля 2019 г. .
  5. ^ abcd Zimmer C (21 февраля 2019 г.). «ДНК получает новый — и больший — генетический алфавит — ДНК пишется четырьмя буквами, или основаниями. Исследователи теперь построили систему с восемью. Она может содержать ключи к потенциалу жизни в других местах Вселенной, а также может расширить наши возможности по хранению цифровых данных на Земле». The New York Times . Получено 21 февраля 2019 г.
  6. ^ Дворски Г (22 февраля 2019 г.). «Причудливая ДНК из восьми букв могла бы быть тем материалом, из которого сделаны инопланетяне». Gizmodo . Получено 23 февраля 2019 г.
  7. ^ Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уолтер П. (2014). «Глава 4: ДНК, хромосомы и геномы». Молекулярная биология клетки (6-е изд.). Гарленд. ISBN 978-0-8153-4432-2. Архивировано из оригинала 14 июля 2014 . Получено 21 февраля 2019 .
  8. ^ Перселл А. "ДНК". Базовая биология . Архивировано из оригинала 5 января 2017 года . Получено 21 февраля 2019 года .
  9. ^ ab Warren M (февраль 2019). «Четыре новых буквы ДНК удваивают алфавит жизни». Nature . 566 (7745): 436. Bibcode :2019Natur.566..436W. doi : 10.1038/d41586-019-00650-8 . PMID  30809059.
  10. ^ Тулин Л. (25 февраля 2019 г.). «Ученые успешно удвоили алфавит ДНК — «ДНК Хачимодзи» структурно надежна, предлагает новые возможности для хранения данных и поднимает вопросы о молекулярном составе потенциальной инопланетной жизни». Smithsonian Magazine . Получено 25 февраля 2019 г.
  11. ^ Yang Z, Hutter D, Sheng P, Sismour AM, Benner SA (29 октября 2006 г.). «Искусственно расширенная генетическая информационная система: новая пара оснований с альтернативным паттерном водородных связей». Nucleic Acids Research . 34 (21): 6095–101. doi :10.1093/nar/gkl633. PMC 1635279. PMID  17074747 . 
  12. ^ Benner SA, Hutter D, Sismour AM (1 сентября 2003 г.). «Синтетическая биология с искусственно расширенными генетическими информационными системами. От персонализированной медицины до внеземной жизни». Nucleic Acids Research. Приложение . 3 (3): 125–6. doi :10.1093/nass/3.1.125. PMID  14510412.
  13. ^ Benner SA (декабрь 2010 г.). «Определение жизни». Астробиология . 10 (10): 1021–30. Bibcode : 2010AsBio..10.1021B. doi : 10.1089/ast.2010.0524. PMC 3005285. PMID  21162682. 
  14. ^ Klotz I (27 февраля 2009 г.). «Синтетическая форма жизни растёт в лаборатории во Флориде». Наука . Архивировано из оригинала 13 января 2016 г. Получено 27 февраля 2019 г.
  15. ^ Ллойд Р. (14 февраля 2009 г.). «Новая искусственная ДНК указывает на инопланетную жизнь». LiveScience . Получено 27 февраля 2019 г.
  16. ^ Малышев ДА, Дхами К, Куах ХТ, Лавергн Т, Ордоуханян П, Торкамани А, Ромесберг ФЭ (июль 2012 г.). «Эффективная и независимая от последовательности репликация ДНК, содержащей третью пару оснований, устанавливает функциональный шестибуквенный генетический алфавит». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (30): 12005–10. Bibcode : 2012PNAS..10912005M. doi : 10.1073/pnas.1205176109 . PMC 3409741. PMID  22773812 . 
  17. ^ Saplakoglu Y (21 февраля 2019 г.). «Ученые создали синтетическую ДНК с 4 дополнительными буквами». Live Science . Получено 22 февраля 2019 г.
  18. ^ ab Molteni M (21 февраля 2019 г.). «Удвоение наших строительных блоков ДНК может привести к появлению новых форм жизни». Wired . Получено 22 февраля 2019 г.
  19. ^ Stickland A (21 февраля 2019 г.). «Синтетическая ДНК может помочь в поиске инопланетной жизни». CNN News . Получено 22 февраля 2019 г.
  20. ^ Карпинети А (22 февраля 2019 г.). «Новая искусственная ДНК удвоила алфавит жизни». IFLScience.com . Получено 22 февраля 2019 г.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки