For et par milliarder år siden dansede fire molekyler ind i den elegante dobbelt-helix-struktur af DNA, der giver koder for livet på vores planet. Men var disse fire spillere virkelig grundlæggende for livets udseende - eller kunne andre også have givet anledning til vores genetiske kode?
En ny undersøgelse, der blev offentliggjort i dag (20. februar) i tidsskriftet Science, støtter sidstnævnte forslag: Forskere har for nylig støbt en ny type DNA i dens elegante dobbelt-helix-struktur og fandt, at den havde egenskaber, der kunne understøtte livet.
Men hvis naturligt DNA er en novelle, er dette syntetiske DNA en Tolstoj-roman.
Forskerne lavede det syntetiske DNA ved hjælp af fire yderligere molekyler, så det resulterende produkt havde en kode bestående af otte bogstaver snarere end fire. Med stigningen i breve havde dette DNA en meget større kapacitet til at gemme information. Videnskabsmænd kaldte det nye DNA "hachimoji" - der betyder "otte bogstaver" på japansk - og udvider det tidligere arbejde fra forskellige grupper, der havde skabt lignende DNA ved hjælp af seks bogstaver.
Skrivning af koden
Naturligt DNA er sammensat af fire molekyler, kaldet nitrogenholdige baser, der parrer sig med hinanden for at danne koden for livet på Jorden: A binder til T; G binder sig med C. Hachimoji-DNA'et inkluderer disse fire naturlige baser plus fire mere syntetisk fremstillede nukleotidbaser: P, B, Z og S.
Forskningsgruppen, der omfattede flere forskellige teams i hele USA, skabte hundredevis af disse Hachimoji-dobbelthelixer med forskellige kombinationer af de naturlige og syntetiske nukleotidbasepar. Derefter gennemførte de en række eksperimenter for at se, om de forskellige dobbelthelixer havde egenskaber, der var nødvendige for at støtte livet.
Naturligt DNA har en kendetegnende egenskab, som intet andet genetisk molekyle ser ud til at have: Det er stabilt og forudsigeligt. Det betyder, at forskere kan beregne nøjagtigt, hvordan det vil opføre sig i bestemte temperaturer og miljøer, herunder når det vil nedbrydes.
Men det viser sig, at forskerne også var i stand til at gøre dette med Hachimoji-DNA - de kunne komme med et sæt regler, der kan forudsige DNA's stabilitet, når det udsættes for forskellige temperaturer.
Krav til livet
Opdagelsen af, at det er muligt at tilføje de fire syntetiske baser og stadig få en "kode, der er forudsigelig og programmerbar ... det er bare enestående," sagde Floyd Romesberg, en kemiprofessor ved Scripps Research i Californien, der ikke var en del af undersøgelsen, men som tidligere offentliggjort forskning om en tidligere kode på seks bogstaver. Dette "vartegnspapir" antyder faktisk, at G, C, A og T "ikke er unikke," fortalte Romesberg til Live Science.
Seniorforfatter Steven Benner,en fremtrædende fyr ved Foundation for Applied Molecular Evolution i Florida, var enig. Hvis et andet sted i universet også er livet kodet i DNA, vil det ikke være "nøjagtigt som det, vi har her på Jorden," fortalte Benner til Live Science. "Det er meget nyttigt at have disse slags eksperimenter i laboratoriet for at forstå, hvilke alternative strukturer."
Men det er ikke nok at oprette DNA, der gemmer information, bemærkede Benner. Det skal også have evnen til at overføre denne information til dets søstermolekyle RNA, så RNA derefter kan instruere proteiner til at udføre al virksomhed i en organisme.
Med det for øje udviklede forskerne syntetiske enzymer - proteiner, der letter en reaktion - der med succes kopierede Hachimoji-DNA til Hachimoji RNA. Desuden fandt de, at RNA-molekylet var i stand til at folde sig ind i en slags L-form, som ville være nødvendigt for det for at overføre information yderligere.
Derudover skal DNA-strengene være i stand til at sno sig ind i den samme tredimensionelle struktur - den berømte dobbelt-helix.
Holdet skabte tre krystalstrukturer af Hachimoji-DNA, hver med forskellige sekvenser af de otte basepar, og fandt ud af, at de faktisk dannede den klassiske dobbelthelix.
Stadig, for at Hachimoji-DNA'et skal støtte livet, er der et femte krav, sagde Benner. Det vil sige, det skal være selvbærende eller have evnen til at overleve på egen hånd. Imidlertid stoppede forskerne kort med at undersøge dette trin for at forhindre molekylet i at blive en biofare, der en dag kunne arbejde sig ind i organismernes genom på Jorden.
Et ekspanderende ordforråd
Bortset fra glimrende alternativer til livet i kosmos, har denne otte bogstaver DNA-streng også anvendelser her på vores planet. Et otte bogstaver genetisk alfabet vil gemme mere information og binde til bestemte mål mere specifikt, sagde Benner. F.eks. Kan Hachimoji-DNA bruges til at binde til levercancerceller eller miltbrannstoksiner eller bruges til at fremskynde kemiske reaktioner.
"Ved at øge antallet af breve fra seks til otte øges mangfoldigheden af DNA-sekvenser kraftigt," Ichiro Hirao, en syntetisk molekylærbiolog ved Institute of Bioengineering and Nanotechnology, A * STAR i Singapore, som heller ikke var en del af undersøgelsen , sagde det i en e-mail. (Hiraos team var dog også involveret i tidligere forskning, der skabte DNA med seks bogstaver)
Naturligvis er "dette bare en første demonstration" af en otte bogstaver DNA-dobbelt helix, og til praktisk brug er vi nødt til at forbedre nøjagtigheden og effektiviteten af replikation og transkription til RNA, sagde Hirao i en e-mail. Han forestiller sig, at de til sidst kunne være i stand til at opbygge til endnu flere bogstaver.
