DNA는 유전자 코드를 우아한 이중 나선으로 저장합니다. 그러나 일부는이 우아함이 과대 평가되었다고 주장합니다. 플로리다의 응용 분자 진화 재단의 유기 화학자 인 Steven Benner는“분자로서의 DNA는 많은 문제가 있습니다.
거의 30 년 전, Benner는 DNA와 화학 사촌 RNA의 더 나은 버전을 스케치하여 새로운 문자와 다른 추가 물질을 추가하여 화학적 업적의 레퍼토리를 확장 할 수 있습니다. 그는 왜 이러한 개선이 살아있는 생물에서 발생하지 않았는지 궁금했습니다. 자연은 4 가지 화학 문자를 사용하여 생명의 전체 언어를 썼습니다 :G, C, A 및 T. 우리의 유전자 코드는 이유 때문에이 4 개의 뉴클레오티드에 정착 했습니까? 아니면이 시스템이 단순한 우연히 선택된 많은 가능성 중 하나입니까? 아마도 코드를 확장하면 더 나아질 수 있습니다.
Benner의 새로운 화학 문자 합성에 대한 초기 시도는 실패했습니다. 그러나 허위 시작마다, 그의 팀은 좋은 뉴클레오티드를 만드는 것에 대해 더 많이 배웠고 DNA와 RNA를 만드는 정확한 분자 세부 사항을 더 잘 이해했습니다. 연구원들의 노력은 그들이 건축하고있는 확장 된 알파벳을 조작하기위한 새로운 도구를 설계해야했기 때문에 느리게 진행되었습니다. Benner는“우리는 인공적으로 설계된 DNA를 위해 재창조해야했다.
이제 수십 년간의 작업을 마친 Benner의 팀은 일반적인 DNA처럼 기능하는 인공적으로 향상된 DNA를 합성했습니다. 미국 화학 학회지 저널에 출판 된 두 논문 지난 달, 연구원들은 P와 Z라는 두 개의 합성 뉴클레오티드가 DNA의 나선 구조에 완벽하게 맞아 DNA의 자연스러운 형태를 유지한다는 것을 보여 주었다. 또한,이 글자를 통합 한 DNA 서열은 확장 된 유전자 알파벳의 첫 번째 인 전통적인 DNA처럼 진화 할 수 있습니다.
새로운 뉴클레오티드는 자연 상대방보다 성능이 뛰어납니다. 암 세포에 선택적으로 결합하는 세그먼트를 진화시키는 데 어려움을 겪을 때, P와 Z를 사용한 DNA 서열은없는 것보다 더 나은 일을했다.
“4- 뉴클레오티드와 6- 뉴클레오티드 알파벳을 비교할 때, 6- 뉴클레오티드 버전이이기는 것으로 보인다.
Benner는 합성 분자에 대한 높은 목표를 가지고 있습니다. 그는 단백질 (필수 생물학적 기능을 수행하는 복잡한 접힌 분자)이 불필요한 대안적인 유전자 시스템을 만들고 싶어합니다. 아마도 Benner는 DNA, RNA 및 단백질의 표준 3 성분 시스템 대신 다른 행성에서의 삶이 2 개로 진화했을 것입니다.
.삶을위한 더 나은 청사진
DNA의 주요 작업은 정보를 저장하는 것입니다. 글자 순서는 단백질 구축에 대한 청사진을 포함합니다. 우리의 현재 4 글자 알파벳은 20 개의 아미노산을 암호화하며, 이는 수백만 가지의 다른 단백질을 만들기 위해 함께 묶여 있습니다. 그러나 6 글자 알파벳은 가능한 216 개의 가능한 아미노산과 더 많은 가능한 단백질을 암호화 할 수 있습니다.
자연이 네 글자로 붙어있는 이유는 생물학의 근본적인 질문 중 하나입니다. 결국 컴퓨터는 0과 1의 두 가지 "글자"만있는 이진 시스템을 사용합니다. 그러나 두 글자는 아마도 생명을 구성하는 생물학적 분자를 만들기에 충분하지 않을 것입니다. 캘리포니아 주 La Jolla에있는 Scripps Research Institute의 화학자 인 Ramanarayanan Krishnamurthy는“2 글자 코드가 있다면 조합 수를 제한합니다.
반면에 추가 문자는 시스템을 더 오류가 발생하기 쉽게 만들 수 있습니다. DNA 염기는 C와 G 쌍과 T와 쌍으로 쌍을 이룹니다. 유전자 정보를 통과 할 수있는 능력으로 DNA를 부여하는 것은이 쌍입니다. 더 큰 알파벳을 사용하면 각 문자는 잘못된 파트너와 짝을 이룰 가능성이 높으며 새로운 DNA 사본은 더 많은 실수를 할 수 있습니다. Krishnamurthy는“4 명을 지나면 너무 다루기 어려워집니다.
그러나 아마도 더 큰 알파벳의 장점은 잠재적 인 단점을 능가 할 수 있습니다. 6 글자 DNA는 유전자 정보를 밀도로 포장 할 수 있습니다. 그리고 아마도 6 글자 RNA는 현재 단백질에 의해 처리 된 일부 작업을 인수 할 수 있으며, 이는 세포에서 대부분의 작업을 수행 할 수 있습니다.
단백질은 DNA 및 RNA보다 훨씬 유연한 구조를 가지며 복잡한 형태의 배열로 접을 수 있습니다. 적절하게 접힌 단백질은 분자 잠금으로 작용할 수 있으며 올바른 키에 대해서만 챔버를 열 수 있습니다. 또는 화학 반응을 위해 다른 분자를 포착하고 함께 가져 오는 촉매 역할을 할 수 있습니다.
RNA에 새로운 문자를 추가하면 이러한 능력 중 일부가 줄 수 있습니다. Ellington은“6 글자는 잠재적으로 4 글자보다 다른 구조물로 더 접을 수 있습니다.
Benner가 대체 DNA와 RNA에 대한 아이디어를 스케치 할 때, 그가 염두에두고있는 것은이 잠재력이었습니다. 가장 널리 보급 된 생명의 기원 이론에 따르면, RNA는 한때 DNA의 정보 저장 작업과 단백질의 촉매 작업을 모두 수행했습니다. Benner는 RNA를 더 나은 촉매로 만드는 방법이 여러 가지가 있다는 것을 깨달았습니다.
Benner는“이러한 작은 통찰력만으로도 DNA와 RNA를 개선 할 수있는 대안으로 노트북에있는 구조를 적어 놓을 수있었습니다. “따라서 질문은 왜 인생이 이러한 대안을 만들지 않았습니까? 알 수있는 한 가지 방법은 실험실에서 자신을 만들고 그들이 어떻게 작동하는지 보는 것이 었습니다.”
.종이에 새로운 코드를 디자인하는 것은 한 가지이며, 실제 생물학적 시스템에서 작동하도록하는 것이 꽤 있습니다. 다른 연구자들은 유전자 코드에 자체 추가를 만들었습니다. 그러나이 다른 기지는 자연적인 것과 약간 다르게 맞으며 나란히 연결하는 대신 서로 위에 쌓입니다. 이것은 특히 다수의 기초가 서로 모일 때 DNA의 모양을 왜곡 할 수 있습니다. 그러나 Benner의 P-Z 쌍은 자연베이스를 모방하도록 설계되었습니다.
Benner 팀의 새로운 논문 중 하나는 Z와 P 중 하나가 G와 G와 G에 묶인 것과 동일한 화학적 결합에 의해 함께 윤활하다는 것을 보여줍니다. 새 문자가 함께 묶거나 자연 문자가 산재 된 경우 나선형 모양.
하버드 대학교 (Harvard University)의 화학자 인 잭 스조스 타크 (Jack Szostak)는“이것은 매우 인상적인 작업”이라고 말했다. "DNA의 이중 헤드 헤일 구조를 심하게 방해하지 않는 새로운베이스 쌍을 찾는 것은 매우 어려웠습니다."
.이 팀의 두 번째 논문은 확장 된 알파벳이 얼마나 잘 작동하는지 보여줍니다. 연구원들은 팽창 된 알파벳으로 구성된 무작위 DNA 가닥 라이브러리로 시작한 다음 간암 세포에 결합 할 수는 있지만 다른 세포에 결합 할 수있는 가닥을 선택했습니다. 12 개의 성공적인 바인더 중에서 가장 잘은 ZS와 PS가 시퀀스에 있었고 가장 약한 사람은 그렇지 않았습니다.
Ellington은“핵산 제에서 더 많은 기능이 핵산 자체에서 더 큰 기능을 이끌어 냈습니다. 다시 말해, 새로운 추가 사항은 적어도 이러한 조건에서 알파벳을 개선하는 것으로 보입니다.
그러나 그것이 얼마나 광범위한지를 결정하려면 추가 실험이 필요합니다. Szostak은“6 글자 버전이 일반적으로 4 글자보다 '더 나은'앱 타머 [짧은 DNA 가닥]을 초래하기 위해 더 많은 작업과 직접 비교가 필요하다고 생각합니다. 예를 들어, 6 글자 알파벳이 더 많은 시퀀스 옵션을 제공했거나 새로운 문자 중 하나가 단순히 구속력이 있기 때문에 승리했는지는 확실하지 않습니다.
.Benner는 유전자 알파벳을 더욱 확장하여 기능적 레퍼토리를 향상시킬 수 있습니다. 그는 10 또는 12 레터 시스템을 만들기 위해 노력하고 있으며 새로운 알파벳을 살아있는 세포로 옮길 계획입니다. Benner와 다른 사람들의 합성 분자는 이미 HIV 및 기타 질병에 대한 진단 검사와 같은 의료 및 생명 공학 응용 분야에서 유용한 것으로 판명되었습니다. 실제로 Benner의 연구는 분자 부분에서 유용한 도구를 형성하는 것 외에도 새로운 삶을 구축하려는 합성 생물학의 급성장 분야를 발견하는 데 도움이되었습니다.
생명 코드가 제한된 이유
Benner의 작업과 다른 연구자들의 작업은 알파벳이 클수록 DNA의 기능을 향상시킬 수있는 능력이 있다고 제안합니다. 그렇다면 왜 자연이 40 억 년 동안 알파벳을 확장하지 않았습니까? 더 큰 레퍼토리에는 잠재적 단점이 있기 때문일 수 있습니다. 엘링턴은 더 큰 알파벳으로 가능한 일부 구조물은 품질이 좋지 않을 수 있으며, 오해의 위험이 더 크다고 말했다.
.자연은 인생이 시작될 때 효과적으로 시스템에 잠겨있었습니다. Benner는“[자연]은 분자 생물학의 핵심에 어떤 분자 구조를 배치할지 결정했을 때 이러한 결정을 바꿀 수있는 기회는 상대적으로 적습니다. "부 자연스러운 시스템을 구성함으로써, 우리는 인생이 처음 등장했을 때의 제약뿐만 아니라 화학의 상상력 내에서 생명이 광범위하게 검색되는 것을 막는 제약 조건에 대해서도 배우고 있습니다."
.Benner는 DNA와 RNA의 새롭고 개선 된 버전을 만들기 위해 그의 발견을 사용하여 그 화학 공간을 철저히 검색하는 것을 목표로합니다. 그는 정보를 저장하는 데 DNA를 더 잘 만들고 RNA를 촉매하는 데 더 나은 RNA를 만들고 싶어합니다. 그는 P-Z베이스 쌍이 그렇게한다는 것을 직접 보여주지 않았습니다. 그러나 두 염기 모두 RNA를보다 복잡한 구조로 접을 수있는 잠재력을 가지고 있으며, 이는 단백질이 더 나은 촉매를 만들 수 있습니다. P는 폴딩에 도움이되고 일반적으로 단백질에서 발견되는 분자 구조 인 "기능 그룹"을 추가 할 수있는 장소가 있습니다. 그리고 Z는 분자 결합에 도움이 될 수있는 니트로 그룹을 가지고 있습니다.
현대 세포에서, RNA는 DNA와 단백질 사이의 중간체 역할을한다. 그러나 Benner는 궁극적으로 지구상의 생애 동안 존재하는 3 가지 비율 시스템 (DNA, RNA 및 단백질)이 필수적이지 않다는 것을 보여주기를 희망합니다. 그는 엔지니어링 된 DNA와 RNA를 사용하면 단백질이 불필요하다고 말합니다.
실제로, 3- 비율 시스템은 정보가 DNA에서 RNA, 단백질로 한 가지 방법으로 만 흐르기 때문에 단점을 가질 수있다. DNA 돌연변이가 더 효율적인 단백질을 생성한다면, 그 돌연변이는 천천히 퍼져 나오지 않는 유기체가 결국 죽을 것입니다.
더 효율적인 단백질이 새로운 DNA를 직접 만들어서 다른 방법으로 퍼질 수 있다면 어떨까요? DNA와 RNA는 양방향으로 정보를 전송할 수 있습니다. 따라서 유용한 RNA 돌연변이는 이론적으로 유익한 DNA로 변형 될 수 있습니다. 따라서 적응은 유전자 코드의 변화로 직접 이어질 수 있습니다.
Benner는 2 바이오 폴리머 시스템이 우리 자신의 3 바이오 폴리머 시스템보다 빠르게 진화 할 것이라고 예측합니다. 그렇다면, 이것은 먼 행성에서의 삶에 영향을 줄 수 있습니다. "우리가 다른 곳에서 생명을 찾는다면, 그것은 2 자체 시스템을 가질 것입니다."
