Biologie codeert informatie in DNA en RNA, dat zijn complexe moleculen die nauwkeurig zijn afgestemd op hun functies. Maar zijn ze de enige manier om erfelijke moleculaire informatie op te slaan? Sommige wetenschappers geloven dat het leven zoals wij het kennen niet kon hebben bestaan ​​voordat er nucleïnezuren waren. Dus, begrijpen hoe ze op de primitieve aarde zijn ontstaan, is een fundamenteel doel van fundamenteel onderzoek.

De centrale rol van nucleïnezuren in de biologische informatiestroom maakt ze ook tot belangrijke doelwitten voor farmaceutisch onderzoek, en synthetische moleculen die nucleïnezuren nabootsen, vormen de basis van vele behandelingen voor virale ziekten, inclusief hiv. Er zijn andere nucleïnezuurachtige polymeren bekend, toch is er nog veel onbekend over mogelijke alternatieven voor erfelijke informatieopslag. Met behulp van geavanceerde rekenmethoden, wetenschappers van het Earth-Life Science Institute (ELSI) van het Tokyo Institute of Technology, het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR) en Emory University verkenden de "chemische omgeving" van nucleïnezuuranalogen. Verrassend genoeg, ze vonden ruim 1 miljoen varianten, suggereert een enorme, onontgonnen universum van chemie relevant voor farmacologie, biochemie en pogingen om de oorsprong van het leven te begrijpen. De moleculen die door deze studie worden onthuld, kunnen verder worden aangepast om honderden miljoenen potentiële farmaceutische medicijnleads te produceren.

Nucleïnezuren werden voor het eerst geïdentificeerd in de 19e eeuw, maar hun samenstelling biologische rol en functie werden pas in de 20e eeuw door wetenschappers begrepen. De ontdekking van de dubbele helixstructuur van DNA door Watson en Crick in 1953 onthulde een eenvoudige verklaring voor biologische en evolutionaire functies. Alle levende wezens op aarde slaan informatie op in DNA, die bestaat uit twee polymeerstrengen die als een caduceus om elkaar heen zijn gewikkeld, waarbij elke streng de andere aanvult. Wanneer de strengen uit elkaar worden getrokken, het kopiëren van de aanvulling op een van beide sjablonen resulteert in twee kopieën van het origineel. Het DNA-polymeer zelf is samengesteld uit een reeks "letters, " de basen adenine (A), guanine (G), cytosine (C) en thymine (T), en levende organismen hebben manieren ontwikkeld om ervoor te zorgen dat de juiste volgorde van letters bijna altijd wordt gereproduceerd tijdens het kopiëren van DNA. De volgorde van basen wordt door eiwitten in RNA gekopieerd, die vervolgens wordt ingelezen in een eiwitsequentie. De eiwitten zelf maken een veelheid aan fijn afgestemde chemische processen mogelijk die het leven mogelijk maken.

Kleine fouten komen soms voor tijdens het kopiëren van DNA, en andere worden soms geïntroduceerd door omgevingsmutagenen. Deze kleine fouten zijn het voer voor natuurlijke selectie:sommige van deze fouten resulteren in sequenties die fittere organismen produceren, hoewel de meeste weinig effect hebben; echter, velen kunnen dodelijk zijn. Het vermogen van nieuwe sequenties om de overleving van de gastheer te bevorderen, is de "ratel" waarmee de biologie zich kan aanpassen aan de constant veranderende uitdagingen van de omgeving. Dit is de onderliggende reden voor de caleidoscoop van biologische vormen op aarde, van nederige bacteriën tot tijgers:de informatie die is opgeslagen in nucleïnezuren zorgt voor "geheugen" in de biologie. Maar zijn DNA en RNA de enige manier om deze informatie op te slaan? Of zijn ze misschien gewoon de beste manier, pas ontdekt na miljoenen jaren van evolutionair knutselen?

"Er zijn twee soorten nucleïnezuren in de biologie, en misschien 20 of 30 effectieve nucleïnezuurbindende nucleïnezuuranalogen. We wilden weten of er nog een te vinden is of zelfs een miljoen meer. Het antwoord is, er blijken er veel meer te zijn dan verwacht, " zegt professor Jim Cleaves van ELSI.

Hoewel biologen ze niet als organismen beschouwen, virussen gebruiken ook nucleïnezuren om hun erfelijke informatie op te slaan, hoewel sommige virussen RNA gebruiken, een kleine variant op DNA, als hun moleculaire opslagsysteem. RNA verschilt van DNA door de aanwezigheid van een enkele atoomsubstitutie, maar over het algemeen, RNA speelt volgens zeer vergelijkbare moleculaire regels als DNA. Het opmerkelijke is dat deze twee moleculen in wezen de enige zijn die worden gebruikt tussen de ongelooflijke verscheidenheid aan organismen op aarde.

Biologen en chemici hebben zich lang afgevraagd waarom dit zou moeten. Zijn dit de enige moleculen die deze functie kunnen vervullen? Als niet, zijn ze misschien wel de beste? Speelden andere moleculen ooit deze rol tijdens de evolutie die vervolgens werden geselecteerd voor uitsterven?

Het centrale belang van nucleïnezuren in de biologie heeft ze ook lange tijd tot medicijndoelwitten voor chemici gemaakt. Als een medicijn het vermogen van een organisme of virus om vergelijkbare besmettelijke nakomelingen te produceren kan remmen, het doodt effectief de organismen of het virus. Het opruimen van de erfelijkheid van een organisme of virus is een geweldige manier om het dood te slaan. Gelukkig, de cellulaire machinerie die het kopiëren van nucleïnezuren in elk organisme beheert, is iets anders, en bij virussen, vaak heel anders.

Organismen met grote genomen, zoals mensen, moeten heel voorzichtig zijn met het kopiëren van hun erfelijke informatie, en zijn dus zeer selectief in het vermijden van de verkeerde voorlopers bij het kopiëren van hun nucleïnezuren. Omgekeerd, virussen, die over het algemeen veel kleinere genomen hebben, zijn veel toleranter voor het gebruik van vergelijkbare maar enigszins verschillende moleculen om zichzelf te kopiëren. Dit betekent chemicaliën die vergelijkbaar zijn met de bouwstenen van nucleïnezuren, bekend als nucleotiden, kan soms de biochemie van het ene organisme meer aantasten dan het andere. De meeste van de belangrijkste antivirale geneesmiddelen die tegenwoordig worden gebruikt, zijn nucleotide- of nucleoside-analogen, inclusief die gebruikt voor de behandeling van hiv, herpes en virale hepatitis. Veel belangrijke kankermedicijnen zijn ook nucleotide- of nucleoside-analogen, omdat kankercellen soms mutaties hebben waardoor ze nucleïnezuren op ongebruikelijke manieren kopiëren.

"Proberen de aard van erfelijkheid te begrijpen, en hoe het anders belichaamd zou kunnen worden, is zo ongeveer het meest fundamentele onderzoek dat men kan doen, maar het heeft ook een aantal echt belangrijke praktische toepassingen, " zegt co-auteur Chris Butch, voorheen van ELSI en nu een professor aan de Nanjing University.

Aangezien de meeste wetenschappers geloven dat de basis van biologie erfelijke informatie is, zonder welke natuurlijke selectie onmogelijk zou zijn, evolutionaire wetenschappers die de oorsprong van het leven bestuderen, hebben zich ook gericht op manieren om DNA of RNA te maken van eenvoudige chemicaliën die spontaan op de primitieve aarde zouden kunnen zijn ontstaan. De meeste wetenschappers denken dat RNA om subtiele chemische redenen vóór het DNA is geëvolueerd. DNA is dus veel stabieler dan RNA, en DNA werd de harde schijf van het leven. Echter, onderzoek in de jaren zestig splitste het theoretische oorsprongsveld al snel in tweeën:degenen die RNA zagen als het eenvoudige 'Occam's Razor'-antwoord op het probleem van de oorsprong van de biologie en degenen die de vele knikken in het pantser van de abiologische synthese van RNA zagen. RNA is nog steeds een ingewikkeld molecuul, en het is mogelijk dat structureel eenvoudigere moleculen op hun plaats hadden kunnen dienen voordat ze ontstonden.

Co-auteur Dr. Jay Goodwin, een chemicus van Emory University zegt:"Het is echt opwindend om het potentieel voor alternatieve genetische systemen te overwegen op basis van deze analoge nucleosiden - dat deze mogelijk zijn ontstaan ​​en geëvolueerd in verschillende omgevingen, misschien zelfs op andere planeten of manen in ons zonnestelsel. Deze alternatieve genetische systemen zouden onze opvatting van het 'centrale dogma' van de biologie kunnen uitbreiden naar nieuwe evolutionaire richtingen, als reactie op en robuust tegen steeds uitdagendere omgevingen hier op aarde."

Welk molecuul was er eerst? Wat maakt RNA en DNA uniek? Het is moeilijk om dergelijke fundamentele vragen te onderzoeken door moleculen fysiek in het laboratorium te maken. Anderzijds, door moleculen te berekenen voordat ze worden gemaakt, kunnen scheikundigen mogelijk veel tijd besparen. "We waren verrast door de uitkomst van deze berekening, " zegt co-auteur Dr. Markus Meringer. "Het zou heel moeilijk zijn om a priori in te schatten dat er meer dan een miljoen nucleïnezuurachtige steigers zijn. Nu weten we, en we kunnen beginnen met het testen van een aantal hiervan in het laboratorium."

"Het is absoluut fascinerend om te bedenken dat door het gebruik van moderne computertechnieken, we kunnen nieuwe medicijnen tegenkomen bij het zoeken naar alternatieve moleculen voor DNA en RNA die erfelijke informatie kunnen opslaan. Het zijn cross-disciplinaire studies zoals deze die wetenschap uitdagend en leuk maken, maar ook impactvol maken. " zegt co-auteur Dr. Pieter Burger, ook van Emory University.