För ett par miljarder år sedan dansade fyra molekyler in i den eleganta dubbla spiralstrukturen för DNA, som ger koderna för livet på vår planet. Men var dessa fyra spelare verkligen grundläggande för livets uppträdande - eller kunde andra också ha gett upphov till vår genetiska kod?
En ny studie, publicerad idag (20 februari) i tidskriften Science, stöder det senare förslaget: Forskare har nyligen gjorts en ny typ av DNA i dess eleganta dubbelspiralstruktur och fann att det hade egenskaper som kunde stödja livet.
Men om naturligt DNA är en novell, är detta syntetiska DNA en Tolstoj-roman.
Forskarna tillverkade det syntetiska DNA med hjälp av fyra ytterligare molekyler, så att den resulterande produkten hade en kod bestående av åtta bokstäver snarare än fyra. Med ökningen av bokstäver hade detta DNA en mycket större kapacitet att lagra information. Forskare kallade det nya DNA: t "hachimoji" - vilket betyder "åtta bokstäver" på japanska - och utvidgade det tidigare arbetet från olika grupper som hade skapat liknande DNA med sex bokstäver.
Skriva koden
Naturligt DNA består av fyra molekyler, kallade kvävebaser, som går ihop med varandra för att bilda koden för livet på jorden: A binder till T; G binds med C. Hachimoji-DNA: t inkluderar dessa fyra naturliga baser, plus fyra mer syntetiskt framställda nukleotidbaser: P, B, Z och S.
Forskningsgruppen, som inkluderade flera olika team över hela USA, skapade hundratals av dessa Hachimoji-dubbla helixer med olika kombinationer av de naturliga och syntetiska basparna. Sedan genomförde de en serie experiment för att se om de olika dubbla helixerna hade egenskaper som behövdes för att stödja livet.
Naturligt DNA har en kännetecken som ingen annan genetisk molekyl verkar ha: Den är stabil och förutsägbar. Det betyder att forskare kan beräkna exakt hur det kommer att bete sig i vissa temperaturer och miljöer, inklusive när det kommer att försämras.
Men det visar sig att forskarna också kunde göra detta med Hachimoji-DNA: t - de kunde komma med en uppsättning regler som kan förutsäga DNA: s stabilitet när det utsätts för olika temperaturer.
Livskrav
Upptäckten att det är möjligt att lägga till de fyra syntetiska baserna och fortfarande få en "kod som är förutsägbar och programmerbar ... det är bara enastående", sa Floyd Romesberg, en kemiprofessor vid Scripps Research i Kalifornien, som inte var en del av studien men som tidigare publicerad forskning om en tidigare sexbokstavskod. Detta "landmärkesdokument" antyder verkligen att G, C, A och T "inte är unika", berättade Romesberg för Live Science.
Äldre författare Steven Benner,en framstående karriär vid Foundation for Applied Molecular Evolution i Florida, enades om. Om någon annanstans i universum är livet också kodat i DNA, kommer det inte att bli "exakt som det vi har här på jorden", berättade Benner för Live Science. "Det är mycket användbart att ha sådana experiment i laboratoriet för att förstå vilka alternativa strukturer."
Men att skapa DNA som lagrar information räcker inte, konstaterade Benner. Det måste också ha förmågan att överföra den informationen till sin systermolekyl RNA, så att RNA sedan kan instruera proteiner att bedriva all verksamhet i en organisme.
Med det i åtanke utvecklade forskarna syntetiska enzymer - proteiner som underlättar en reaktion - som framgångsrikt kopierade Hachimoji-DNA till Hachimoji RNA. Vidare fann de att RNA-molekylen kunde vikas in i en sorts L-form som skulle vara nödvändig för att ytterligare överföra information.
Dessutom måste DNA-strängarna kunna vrida sig i samma tredimensionella struktur - den berömda dubbla helixen.
Teamet skapade tre kristallstrukturer av Hachimoji-DNA, var och en med olika sekvenser av de åtta basparna, och fann att de verkligen bildade den klassiska dubbla helixen.
Fortfarande, för att Hachimoji DNA ska stödja livet, finns det ett femte krav, sade Benner. Det vill säga det måste vara självförsörjande eller ha förmågan att överleva på egen hand. Men forskarna slutade dock inte undersöka detta steg för att förhindra molekylen från att bli en biohazard som en dag skulle kunna arbeta sig in i organismernas jorden genom.
Ett expanderande ordförråd
Bortsett från att skimta alternativ för livet i kosmos, har denna åtta bokstäver DNA-sträng också tillämpningar här på vår planet. Ett åtta bokstäver genetiskt alfabet kommer att lagra mer information och binda till vissa mål mer specifikt, sade Benner. Till exempel kan Hachimoji-DNA användas för att binda till levercancerceller eller miltbrandtoxiner eller användas för att påskynda kemiska reaktioner.
"Genom att öka antalet bokstäver från sex till åtta, ökar mångfalden av DNA-sekvenser kraftigt," Ichiro Hirao, en syntetisk molekylärbiolog vid Institute of Bioengineering and Nanotechnology, A * STAR i Singapore som inte heller var en del av studien , sa i ett e-postmeddelande. (Hiraos team var dock också involverat i tidigare forskning som skapade sex bokstäver DNA-strängar)
Naturligtvis "detta är bara en första demonstration" av en åtta bokstäver DNA-dubbel spiral, och för praktisk användning måste vi förbättra noggrannheten och effektiviteten för replikering och transkription till RNA, sade Hirao i ett e-postmeddelande. Han föreställer sig att de så småningom skulle kunna bygga upp till ännu fler bokstäver.
