For et par milliarder år siden danset fire molekyler inn i den elegante dobbelt-helix-strukturen til DNA, som gir kodene for livet på planeten vår. Men var disse fire aktørene virkelig grunnleggende for livets utseende - eller kunne andre også ha gitt opphav til vår genetiske kode?
En ny studie, publisert i dag (20. februar) i tidsskriftet Science, støtter det sistnevnte forslaget: Forskere har nylig støpt en ny type DNA i sin elegante dobbelhelixstruktur og fant at den hadde egenskaper som kunne støtte livet.
Men hvis naturlig DNA er en novelle, er dette syntetiske DNA en Tolstoj-roman.
Forskerne laget det syntetiske DNA ved hjelp av fire tilleggsmolekyler, slik at det resulterende produktet hadde en kode som består av åtte bokstaver i stedet for fire. Med økningen i brev hadde dette DNAet en mye større kapasitet til å lagre informasjon. Forskere kalte det nye DNAet "hachimoji" - som betyr "åtte bokstaver" på japansk - og utvidet det forrige arbeidet fra forskjellige grupper som hadde laget lignende DNA ved å bruke seks bokstaver.
Skrive koden
Naturlig DNA er sammensatt av fire molekyler, kalt nitrogenholdige baser, som går sammen med hverandre for å danne koden for livet på jorden: A binder seg til T; G binder seg med C. Hachimoji-DNAet inkluderer disse fire naturlige basene, pluss fire mer syntetisk fremstilte nukleotidbaser: P, B, Z og S.
Forskningsgruppen, som inkluderte flere forskjellige team over hele USA, opprettet hundrevis av disse Hachimoji-dobbelhelixene med forskjellige kombinasjoner av de naturlige og syntetiske nukleotidbaseparene. Deretter gjennomførte de en serie eksperimenter for å se om de forskjellige doble helikser hadde egenskaper som trengs for å støtte livet.
Naturlig DNA har en kjennetegnegenskap som ingen andre genetiske molekyler ser ut til å ha: Det er stabilt og forutsigbart. Det betyr at forskere kan beregne nøyaktig hvordan det vil oppføre seg i visse temperaturer og miljøer, inkludert når det vil forringe.
Men det viser seg at forskerne også var i stand til å gjøre dette med Hachimoji-DNA - de kunne komme med et sett regler som kan forutsi DNAs stabilitet når det blir utsatt for forskjellige temperaturer.
Krav til livet
Funnet at det er mulig å legge til de fire syntetiske basene og fremdeles få en "kode som er forutsigbar og programmerbar ... det er bare enestående," sa Floyd Romesberg, en kjemiprofessor ved Scripps Research i California, som ikke var en del av studien, men som tidligere publisert forskning på en tidligere seks-bokstavs kode. Dette "landemerkedokumentet" antyder faktisk at G, C, A og T "ikke er unike," sa Romesberg til Live Science.
Seniorforfatter Steven Benner,en fremtredende stipendiat ved Foundation for Applied Molecular Evolution i Florida, var enig. Hvis et annet sted i universet også er livet kodet i DNA, vil det ikke være "akkurat som det vi har her på jorden," sa Benner til Live Science. "Det er veldig nyttig å ha slike eksperimenter på laboratoriet for å forstå hvilke alternative strukturer."
Men å lage DNA som lagrer informasjon er ikke nok, bemerket Benner. Det må også ha muligheten til å overføre denne informasjonen til søstermolekylet RNA, slik at RNA da kan instruere proteiner til å utføre all virksomhet i en organisme.
Med det i tankene utviklet forskerne syntetiske enzymer - proteiner som letter en reaksjon - som med suksess kopierte Hachimoji DNA inn i Hachimoji RNA. Videre fant de ut at RNA-molekylet var i stand til å brette seg inn i en slags L-form som ville være nødvendig for det for å overføre informasjon ytterligere.
I tillegg må DNA-strengene være i stand til å vri seg inn i den samme tredimensjonale strukturen - den berømte dobbelthelixen.
Teamet opprettet tre krystallstrukturer av Hachimoji DNA, hver med forskjellige sekvenser av de åtte baseparene, og fant ut at hver for seg dannet den klassiske doble heliksen.
Fortsatt, for at Hachimoji DNA skal støtte livet, er det et femte krav, sa Benner. Det vil si at den må være selvopprettholdende eller ha evnen til å overleve på egen hånd. Forskerne sluttet imidlertid med å undersøke dette trinnet, for å forhindre at molekylet ble en biohazard som en dag kunne jobbe seg inn i genomene til organismer på jorden.
Et ekspanderende ordforråd
Bortsett fra å skimte alternativer for livet i kosmos, har denne åtte-bokstavs DNA-strengen også anvendelser her på planeten vår. Et genetisk alfabet på åtte bokstaver vil lagre mer informasjon og binde seg til bestemte mål mer spesifikt, sa Benner. For eksempel kan Hachimoji DNA brukes til å binde seg til leverkreftceller eller miltbrannstoksiner, eller brukes til å fremskynde kjemiske reaksjoner.
"Ved å øke antall bokstaver fra seks til åtte økes mangfoldet av DNA-sekvenser kraftig," Ichiro Hirao, en syntetisk molekylærbiolog ved Institute of Bioengineering and Nanotechnology, A * STAR i Singapore som heller ikke var en del av studien , sa i en e-post. (Hiraos team var imidlertid også involvert i tidligere forskning som skapte seks-boksters DNA-tråder)
Naturligvis er "dette bare en første demonstrasjon" av en åtte-bokstavs dobbelt helix av DNA, og for praktisk bruk må vi forbedre nøyaktigheten og effektiviteten til replikasjon og transkripsjon til RNA, sa Hirao i en e-post. Han ser for seg at de etter hvert kan være i stand til å bygge opp til enda flere bokstaver.
