Молекулярные альтернативы ДНК и РНК проливают новый свет на происхождение жизни

Живые системы обязаны своим существованием двум молекулам, несущим информацию: ДНК и РНК. Эти фундаментальные химические формы обладают двумя чертами, необходимыми для жизни: наследственностью (способность кодировать и передавать генетическую информацию) и способностью к адаптации со временем через процессы дарвиновской эволюции.

Долгое время обсуждался вопрос: могут ли наследственность и эволюция осуществляться молекулами, отличными от ДНК и РНК?

Международная команда ученых из Англии, Бельгии, Дании и США (Джон Чапут из Института Biodesign при ASU) продемонстрировала, что эти свойства могут быть расширены на так называемые ксенонуклеиновые кислоты (XNA). Их исследование опубликовано в журнале Science.

Ключевые результаты

  • Впервые показано, что шесть типов этих искусственных нуклеиновых полимеров (XNA) способны обмениваться информацией с ДНК.
  • Одна из XNA — ангидрогекситоловая нуклеиновая кислота (HNA) — оказалась способна к направленной эволюции и сворачиванию в биологически полезные формы (аптамеры).

Значение для понимания происхождения жизни

Работа поддерживает гипотезу «мира до РНК». Спонтанное возникновение РНК из первичного химического «бульона» маловероятно. XNA, такие как треозовая нуклеиновая кислота (TNA), могли быть химическими «ступеньками» к возникновению жизни.

  • TNA, например, способна связываться с РНК по принципу антипараллельной уотсон-криковской комплементарности. Это показывает, как XNA могли передавать информацию из «мира до РНК» в «мир РНК».

Технологический прорыв и метод

Для обмена информацией с ДНК XNA необходимы специализированные ферменты — полимеразы. В природе таких полимераз для XNA не существует.

  • Группа под руководством Фила Холлигера (MRC, Англия) создала синтетические полимеразы методом направленной эволюции в искусственных водно-масляных эмульсиях.
  • Эти ферменты способны транскрибировать ДНК в шесть различных XNA-систем (HNA, CeNA, LNA, ANA, FANA, TNA) и обратно.
  • Используя эти ферменты как инструмент, ученые провели in vitro эволюцию и получили первый HNA-аптамер, связывающийся с целевыми молекулами (РНК TAR ВИЧ и лизоцимом).

Практические приложения

Аптамеры на основе XNA, подобные антителам, могут высокоаффинно и специфично связывать мишени. XNAs более устойчивы к естественным ферментам, разрушающим ДНК и РНК.

Это открывает возможности для создания:

  • Новых типов диагностических систем и биосенсоров.
  • Новых терапевтических средств в рамках экспериментальной ксенобиологии.

Исследование не только приближает нас к разгадке происхождения жизни, но и открывает новый класс молекул с широким практическим потенциалом.