เมื่อสองพันล้านปีก่อนโมเลกุลสี่ตัวเต้นเข้ากับโครงสร้างเกลียวคู่ที่สง่างามของ DNA ซึ่งให้รหัสสำหรับชีวิตบนโลกของเรา แต่ผู้เล่นสี่คนนี้เป็นพื้นฐานของการปรากฏตัวของชีวิตจริง ๆ หรือผู้อื่นสามารถให้รหัสพันธุกรรมของเราได้หรือไม่?
การศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ในวันนี้ (20 กุมภาพันธ์) ในวารสาร Science สนับสนุนข้อเสนอหลัง: นักวิทยาศาสตร์ได้หล่อ DNA ชนิดใหม่ลงในโครงสร้าง double-helix ที่สวยงามและพบว่ามีคุณสมบัติที่สามารถช่วยชีวิตได้
แต่ถ้า DNA ธรรมชาติเป็นเรื่องสั้น DNA สังเคราะห์นี้เป็นนวนิยายของตอลสตอย
นักวิจัยได้ประดิษฐ์ DNA สังเคราะห์โดยใช้โมเลกุลเพิ่มเติมสี่โมเลกุลเพื่อให้ผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นมีรหัสประกอบด้วยตัวอักษรแปดตัวแทนที่จะเป็นสี่ตัว เมื่อเพิ่มจำนวนตัวอักษร DNA นี้จึงมีความสามารถในการจัดเก็บข้อมูลได้มากขึ้น นักวิทยาศาสตร์เรียก DNA ใหม่ "hachimoji" - ความหมาย "แปดตัวอักษร" ในภาษาญี่ปุ่น - ขยายงานก่อนหน้านี้จากกลุ่มต่าง ๆ ที่สร้าง DNA ที่คล้ายกันโดยใช้ตัวอักษรหกตัว
การเขียนรหัส
DNA ธรรมชาติประกอบด้วยสี่โมเลกุลที่เรียกว่าฐานไนโตรเจนที่จับคู่กันเพื่อสร้างรหัสสำหรับชีวิตบนโลก: A ผูกกับ T; G ผูกกับ C Hachimoji DNA รวมถึงฐานธรรมชาติทั้งสี่นี้รวมถึงฐานนิวคลีโอไทด์ที่สังเคราะห์ขึ้นอีกสี่ฐาน: P, B, Z และ S
กลุ่มวิจัยซึ่งรวมถึงทีมที่แตกต่างกันหลายแห่งทั่วสหรัฐอเมริกาได้สร้างเกลียวคู่ Hachimoji เหล่านี้หลายร้อยชุดด้วยการรวมกันของคู่เบสนิวคลีโอไทด์ธรรมชาติและสังเคราะห์ จากนั้นพวกเขาทำการทดลองหลายครั้งเพื่อดูว่าเกลียวคู่ที่หลากหลายมีคุณสมบัติที่จำเป็นต่อการช่วยชีวิตหรือไม่
DNA ธรรมชาติมีคุณสมบัติเด่นคือไม่มีโมเลกุลทางพันธุกรรมอื่น ๆ ที่ดูเหมือนจะมี: มันเสถียรและคาดเดาได้ นั่นหมายความว่านักวิจัยสามารถคำนวณได้อย่างแม่นยำว่ามันจะทำงานอย่างไรในอุณหภูมิและสภาพแวดล้อมบางอย่างรวมถึงเวลาที่มันจะเสื่อมสภาพ
แต่ปรากฎว่านักวิจัยสามารถทำเช่นนี้กับ DNA Hachimoji - พวกเขาสามารถสร้างชุดของกฎที่สามารถทำนายเสถียรภาพของ DNA เมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิที่แตกต่างกัน
ข้อกำหนดสำหรับชีวิต
การค้นพบว่าเป็นไปได้ที่จะเพิ่มฐานสังเคราะห์ทั้งสี่และยังได้รับ "รหัสที่สามารถคาดเดาได้และตั้งโปรแกรมได้ ... ซึ่งเป็นประวัติการณ์" Floyd Romesberg ศาสตราจารย์ด้านเคมีของ Scripps Research ในแคลิฟอร์เนียกล่าวซึ่งไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษา งานวิจัยที่ตีพิมพ์ก่อนหน้านี้เกี่ยวกับรหัสหกตัวอักษรก่อนหน้า "กระดาษสถานที่สำคัญ" นี้แสดงให้เห็นว่า G, C, A และ T "ไม่ซ้ำกัน" Romesberg กล่าวกับ Live Science
Steven Benner นักเขียนอาวุโสเพื่อนที่โดดเด่นที่มูลนิธิเพื่อการพัฒนาโมเลกุลประยุกต์ในฟลอริดาตกลง ถ้ามีที่อื่นในจักรวาลชีวิตก็เขียนรหัสด้วย DNA ก็จะไม่เป็น "เหมือนกับสิ่งที่เรามีบนโลกใบนี้" เบ็นเนอร์บอกวิทยาศาสตร์สด "มันมีประโยชน์มากที่จะมีการทดลองประเภทนี้ในห้องปฏิบัติการเพื่อทำความเข้าใจกับโครงสร้างทางเลือกอื่น ๆ "
แต่การสร้าง DNA ที่เก็บข้อมูลไม่เพียงพอ Benner กล่าว นอกจากนี้ยังต้องมีความสามารถในการถ่ายโอนข้อมูลดังกล่าวไปยังโมเลกุลอาร์เอ็นเอน้องสาวเพื่อให้อาร์เอ็นเอสามารถสั่งให้โปรตีนดำเนินธุรกิจทั้งหมดในสิ่งมีชีวิต
นักวิจัยได้พัฒนาเอนไซม์สังเคราะห์ซึ่งเป็นโปรตีนที่ช่วยให้เกิดปฏิกิริยาซึ่งสามารถคัดลอก Hachimoji DNA ไปสู่ Hachimoji RNA ได้สำเร็จ ยิ่งไปกว่านั้นพวกเขาพบว่าโมเลกุลอาร์เอ็นเอสามารถพับเป็นรูปตัว L ที่จำเป็นสำหรับการถ่ายโอนข้อมูลต่อไป
นอกจากนี้เส้นดีเอ็นเอจะต้องสามารถบิดเป็นโครงสร้างสามมิติเดียวกัน - เกลียวคู่ที่มีชื่อเสียง
ทีมสร้างโครงสร้างผลึกสามแบบของ Hachimoji DNA แต่ละอันมีลำดับที่แตกต่างกันของคู่ฐานแปดคู่และพบว่าจริง ๆ แล้วแต่ละคนเป็นเกลียวคู่คลาสสิก
เบ็นเนอร์กล่าวว่าเพื่อให้ DNA ของ Hachimoji สามารถช่วยชีวิตได้ นั่นคือจะต้องมีการค้ำจุนตนเองหรือมีความสามารถในการอยู่รอดด้วยตนเอง อย่างไรก็ตามนักวิจัยได้หยุดการสืบสวนขั้นตอนนี้สั้น ๆ เพื่อป้องกันไม่ให้โมเลกุลกลายเป็นสิ่งมีชีวิตอันตรายที่วันหนึ่งอาจจะเข้าไปในจีโนมของสิ่งมีชีวิตบนโลก
คำศัพท์ที่ขยายตัว
นอกเหนือจากการมองหาทางเลือกในการดำรงชีวิตในจักรวาลแล้วดีเอ็นเอเกลียวแปดตัวนี้ยังมีแอปพลิเคชั่นบนโลกของเรา ตัวอักษรพันธุกรรมแปดตัวอักษรจะเก็บข้อมูลเพิ่มเติมและผูกกับเป้าหมายบางอย่างโดยเฉพาะ Benner กล่าว ตัวอย่างเช่น DNA Hachimoji อาจถูกใช้เพื่อจับกับเซลล์มะเร็งตับหรือสารแอนแทรกซ์หรือใช้เพื่อเร่งปฏิกิริยาทางเคมี
"การเพิ่มจำนวนตัวอักษรจากหกเป็นแปดทำให้ความหลากหลายของลำดับดีเอ็นเอเพิ่มขึ้นอย่างมาก" Ichiro Hirao นักชีววิทยาโมเลกุลสังเคราะห์ที่สถาบันชีววิศวกรรมชีวภาพและนาโนเทคโนโลยี A * STAR ในสิงคโปร์ซึ่งไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษา กล่าวในอีเมล (ทีมของ Hirao มีส่วนเกี่ยวข้องด้วยอย่างไรก็ตามในการวิจัยก่อนหน้านี้ที่สร้างสายดีเอ็นเอหกตัวอักษร)
แน่นอน "นี่เป็นเพียงการสาธิตครั้งแรก" ของเกลียวคู่ดีเอ็นเอแปดตัวอักษรและสำหรับการใช้งานจริงเราจำเป็นต้องปรับปรุงความแม่นยำและประสิทธิภาพของการจำลองแบบและการถอดรหัสลงใน RNA Hirao กล่าวในอีเมล เขาจินตนาการว่าในที่สุดพวกเขาอาจจะสามารถสร้างตัวอักษรมากขึ้น
