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八文字DNA

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八文字DNA(英语:Hachimoji DNA,Hachimoji源自日语“八文字”的发音),是一种人工合成核酸类似物,除含有四种天然DNA中含有的碱基腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)外,还含有另外四种天然DNA中不含有的碱基5-氮杂-7-脱氮鸟嘌呤(P)、6-氨基-5-硝基吡啶-2-酮(Z)、异鸟嘌呤(B)、1-甲基胞嘧啶(dS)。八文字DNA中的碱基配对除天然DNA的A-T和G-C外,还存在Z-P与dS-B两种配对方式。八文字DNA也存在对应形式的八文字RNA[1][2][3][4][5]

八文字DNA能存储比DNA更多的信息,对搜寻地外生命的研究也有推动作用[5][6]

介绍

天然存在的DNA是目前发现的所有细胞生物遗传信息的载体,由A、T、G、C四种碱基编码遗传信息。天然DNA的基本组成单元是核苷酸,通过3′,5′-磷酸二酯键组成骨架。两条核苷酸链之间通过互补碱基形成的氢键共价结合,组成双螺旋结构[7][8]

八文字DNA中额外含有四个天然DNA中不存在的碱基P、Z、B、dS(在八文字RNA中记为rS(异胞嘧啶)),其中P与Z配对,B与S配对(在八文字RNA中配对是B与rS)[1][5]。八文字DNA中的非天然碱基疏水性高于天然DNA,不过仍然可以形成与天然DNA相似的双螺旋结构。体外(in vitro)实验表明,经过改造的T7 RNA聚合酶能将八文字DNA转录成对应的八文字RNA[4][5]

缩写 全名 分子式 SMILES 分子结构 ChemSpider PubChem
P 5-氮杂-7-脱氮鸟嘌呤

2-amino-8-(1′-b-D-2′-deoxyribofuranosyl)-imidazo-[1,2a]-1,3,5-triazin-[8H]-4-one[1]

C5H5N5O C1=CN2C(=O)NC(=NC2=N1)N
10205066 135600909
Z 6-氨基-5-硝基吡啶-2-酮

6-amino-3-(1′-b-D-2′-deoxyribofuranosyl)-5-nitro-1H-pyridin-2-one[1]

C5H5N3O3 C1=CC(=O)NC(=C1[N+](=O)[O-])N
9357814 11182729
B 异鸟嘌呤

6-amino-9[(1′-b-D-2′-deoxyribofuranosyl)-4-hydroxy-5-(hydroxymethyl)-oxolan-2-yl]-1H-purin-2-one[1]

C5H5N5O C1=NC2=NC(=O)NC(=C2N1)N
69351 76900
S rS 异胞嘧啶 C4H5N3O C1=CN=C(NC1=O)N
60309 66950
dS 1-甲基胞嘧啶

3-methyl-6-amino-5-(1′-b-D-2′-deoxyribofuranosyl)-pyrimidin-2-one[1]

C5H7N3O CN1C=CC(=NC1=O)N
71474 79143
八文字DNA(左)和八文字RNA(右)的碱基配对情况。氢键标为绿色,氢受体标为红色[1]

意义

生物学

八文字DNA的合成证明了天然DNA中的四种碱基A、T、G、C并不是独一的[9],可以认为这一发现至少在理论层次表明使用新的DNA系统能创造新的生命形式是可行的。不过在现阶段,八文字DNA不具有自我维持的能力,八文字DNA目前只能在实验室中维持,这一过程需要只能通过实验室合成的八文字DNA特殊组成单元以及经过特殊改造的蛋白质。如果离开实验室环境,八文字DNA将无法继续存在[4]

天文学

八文字DNA的研究因可以扩大找寻宇宙中生命体时可能遇到的分子结构范围而得到NASA资助[1]。NASA行星科学部门的洛瑞·格莱斯英语Lori Glaze(Lori Glaze)认为,在NASA的行星科学任务中,找寻地外生命的任务越来越重要,关于八文字DNA的研究能促进更有效的设备和实验流程的开发,扩大我们对地外生命的找寻范围[3][10]。八文字DNA研究团队的负责人史蒂文·本纳英语Steven Benner说:“通过对八文字DNA的形态、大小以及结构的细致分析使我们对地外生命可能用于储存遗传信息的分子有了进一步的了解。”[11]

其他

研究人员同时认为,八文字DNA能应用于人的疾病诊断DNA数据储存英语DNA_digital_data_storageDNA条形码、自组装纳米结构,以及使用非常见氨基酸构建蛋白质等领域,其中一部分技术已商业化[1][4]

参见

参考

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 Hoshika S, Leal NA, Kim MJ, Kim MS, Karalkar NB, Kim HJ, 等. Hachimoji DNA and RNA: A genetic system with eight building blocks. Science. February 2019, 363 (6429): 884–887 [2019-03-13]. PMID 30792304. doi:10.1126/science.aat0971. (原始内容存档于2019-02-28). 需要付费订阅. 
  2. ^ American Association for the Advancement of Science. Hachimoji – Expanding the genetic alphabet from four to eight. EurekAlert!. 2019-02-21 [2019-02-22]. (原始内容存档于2019-05-13). 
  3. ^ 3.0 3.1 Brown D, Landau E. Research creates DNA-like molecule to aid search for alien life. Phys.org. 2019-02-21 [2019-02-22]. (原始内容存档于2019-02-21). 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 Dumé B. Hachimoji DNA doubles the genetic code. Physics World. 2019-02-22 [2019-02-22]. (原始内容存档于2019-02-22). 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 5.3 Zimmer C. DNA Gets a New — and Bigger — Genetic Alphabet - DNA is spelled out with four letters, or bases. Researchers have now built a system with eight. It may hold clues to the potential for life elsewhere in the universe and could also expand our capacity to store digital data on Earth.. The New York Times. 2019-02-21 [2019-02-21]. (原始内容存档于2019-02-21). 
  6. ^ Dvorsky G. Freaky Eight-Letter DNA Could Be the Stuff Aliens Are Made Of. Gizmodo. 2019-02-22 [2019-02-23]. (原始内容存档于2019-02-23). 
  7. ^ Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P. Chapter 4: DNA, Chromosomes and Genomes. Molecular Biology of the Cell 6th. Garland. 2014 [2019-03-13]. ISBN 978-0-8153-4432-2. (原始内容存档于2014-07-14). 
  8. ^ Purcell A. DNA. Basic Biology. (原始内容存档于2017-01-05). 
  9. ^ Saplakoglu Y. Scientists Have Created Synthetic DNA with 4 Extra Letters. Live Science. 2019-02-21 [2019-02-22]. (原始内容存档于2019-02-22). 
  10. ^ Stickland A. Synthetic DNA could help with search for alien life. CNN News. 2019-02-21 [2019-02-22]. (原始内容存档于2019-02-21). 
  11. ^ Carpineti A. New Artificial DNA Has Doubled The Alphabet Of Life. IFLScience.com. 2019-02-22 [2019-02-22]. (原始内容存档于2019-02-23). 

外部链接

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