陌生的核苷酸

修修补补的核苷酸组成DNA;交换在氢键模式,用Gs代替z,甚至试图从头开始创建新的。这是化学家弗洛伊德Romesberg已经做了十多年。

Romesberg加州斯克里普斯研究所,我们,说他现在已经接近一个突破,看到他的合成DNA碱基对中复制与熟悉的腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶、鸟嘌呤碱基首次在活细胞。但是因为在这个领域已经取得了进展,Romesberg担心人们会不太注意他的最新作品。我担心人们会说“好吧,你已经进步了很长时间,为什么这个进展有所不同吗?“他承认。但这就像美式足球:去年院子越过球门线的区别。”

但在外空生物学——科学家的竞技场设计细胞信息机械从第一原理——有几个团队运行。Romesberg不同,不是所有的人都有效的目标创造生命基于自然的DNA在他们的视线里。

历史基础

大多数人信用Steven Benner第一个成功合成不自然的核苷酸,可以复制与定期的系列。Benner,直到2005年才在美国佛罗里达大学,开始扩大遗传字母通过保持基地的化学和结构大致相同,但不同的氢键捐助者的模式。以1990年为例,这导致了两个基地iso c和iso-G(所有主要结构的图片,请参阅下面的时间表)。

在1990年代中期到后期,化学家埃里克·库尔斯坦福大学的伯纳在美国扩展的工作以一个氟原子取代的氢原子。的计划是避免一些问题Benner早期的基地,氢原子会跳来跳去,破坏氢键模式。但库尔很快就发现他的氟有机基地,被称为“F”,可怕的氢键。但它仍然是包含在DNA复制由于其疏水性。事实上,早期的故事出现的化学家乱动核苷酸是,尽管其特异性的声誉,聚合物的核心生活是相当的可塑性。

Romesberg了基地的想法可能合作伙伴基于疏水性部队和跑。在2000年代中期,他的实验室系统地准备测试的候选人核苷酸和成千上万的组合如何可以被包括在DNA,利用结构·活动关系的用于药物开发- +自己的直觉来指导他们的工作。

今天至少有三个研究团队工作认真人工基地。Benner创造了应用分子进化的基础在佛罗里达州,支持他的合成的研究和销售基地服务日益增长的需求在医学研究。一郎Hirao在日本RIKEN系统和结构生物学中心,也在自己的基地。Benner, Hirao和Romesberg跟上彼此;他们似乎都有基地大致一样,说另一个菲尔Holliger化学生物学家英国医学研究理事会的剑桥大学分子生物学实验室,英国。偶尔的其中一个会跳跃,但到目前为止没有人真的似乎真的留下其他人。”

模糊的线

不过,去年Romesberg和他的团队取得了第一。使用晶体Andreas马克思德国康斯坦茨大学的,他们解决了一个DNA聚合酶的晶体结构在不同阶段被复制他们的表现不自然的碱基对,双核分子Romesberg已经命名为d5SICS dNaM。¹

他们获得的快照给Romesberg团队的一个关键的见解。他们已经知道碱基配对是由疏水相互作用的两个芳香环上免费对。在一个自由的DNA双工,这些相互作用导致了基地相互重叠,而不是配对边缘基地做一样自然。晶体学透露,聚合酶促使不自然的碱基对脱离和re-pair边缘的方式,形成自然的基础对如复制所需的结构。这使得Romesberg认为弱疏水性力量之间的两个基地——实际上不那么严格把它们粘到一起,这样他们就可以转变之间的两种配对模式更容易——可能导致更有效的复制。

将这一观点与他们已经从先前的知识结构·活动关系,然后团队设计了一系列新的分子较小的疏水表面。这是我们一直在做相反的,“Romesberg解释道。但基于结构数据我们认为也许我们需要削减堆积能力。结果是令人印象深刻的。叫做dTPT3-dNaM Romesberg说一对新的,复制和更高的效率比他之前的努力和忠诚。²事实上,他说,视力模糊,这是一个自然的碱基对几乎一样好”。

很难量化的碱基对是如何执行在文献中与他人相比,因为这样的测量取决于微妙的实验因素。例如,聚合酶的类型可以影响mis-pairings的数量,和允许的时间动力学实验可以影响措施的基地被复制的速度有多快。不自然的基地在文献中经常引用响亮的在这些方面的数据,部分原因是可以选择适合的条件期望的结果。然而Romesberg坚称,他已经能够使用他的dTPT3分子设置凸显其品质。他的实验室一直在伟大的进展包含对活细胞的DNA复制第一次,他说。虽然他对细节谨慎——主要是因为他希望出版他的作品在未来几个月内·他说进展的比,坦率地说,我们敢于梦想:这是一个很好的碱基对”。

Romesberg现在自己的努力聚焦在构建细胞生存与他的不自然的DNA的核苷酸。虽然有不自然的核苷酸在活细胞复制并不遥远,不太可能成功的科学家将这些细胞生存以外的实验室长在不久的将来。首先,不自然的核苷酸会破坏细胞的蛋白质编码,所以生命是短暂的。获得细胞与xenonucleic酸可持续合作将是一个巨大的里程碑,但它仍有很长的路要走。

健壮的担忧

并不是所有的科学家认为,部署在细胞自然基地是这个领域最紧迫的挑战。Holliger,创建新的可演化遗传语言点在于它可以增加潜在的存储信息。在这方面还有很多要做甚至生命进入方程之前,他说。

例如,为了扩大遗传语言有用,“你真的需要能够插入新字母你使你喜欢在任何位置,包括相邻,Holliger说。科学尚不够完备。例如,Romesberg d5SICS-dNaM对任何远远超过两个连续自然基地导致严重的复制错误,尽管新dTPT3-dNaM还没有这方面的测试。

你需要能够插入新字母你使在任何你喜欢的位置

菲尔Holliger

与Romesberg Benner和Hirao最感兴趣的部署应用科学的新的遗传信。具体来说,寡核苷酸适配子:股DNA被设计来绑定目标,如分子,甚至蛋白质或细胞。这类股可能是有用的在医学,例如作为disease-signifying蛋白质标记。

然而Holliger指向该想法的几个问题。寡核苷酸适配子的原因没有成功的诊所,因为他们的支柱是如此软弱,”他说。在血清的退化很快,因此,为了解决这个问题,任何寡核苷酸适配子被证明是好的粘结剂必须有一些技巧在他们变硬起来——这可以减少他们的活动。

有鉴于此,Holliger最初的宇宙生物学方法已改变DNA的支柱,避免改变分子针针织基地在一起。2012年,他报道DNA聚合酶的进化,这样它会接受并复制六新形式的DNA的骨干糖-通常在RNA和DNA核糖或脱氧核糖是替代品包括阿拉伯糖和anhydrohexitol切换。他还展示了这些可以用来生产寡核苷酸适配子。³

“我们还在研究这个化学”Holliger说。我们现在多达10个不同的聚合物,这个想法是,最终,当我们有一个更大范围的这些分子,我们可以定制的骨干寡核苷酸适配子在任何给定的环境下工作。

应用寡核苷酸适配子

Holliger的担忧,但Benner已经生活了好几年从纳米结构构建扩大遗传字母已经在生物环境中功能。“我承认,我的一些同事相比,我的方法不是那么雄心勃勃,“Benner说谁进行自然基地通过氢键简单交换的模式。但是我们得到结果。

首先,Benner化学可导致一些企业,包括火鸟生物分子科学,成立于2005年。该公司销售的寡核苷酸结合Benner的不自然的基地,包括iso-G和iso c,和基地称为P和Z, 2006年他发明了。⁴这些产品是用于诊断包监控HIV和肝炎c Benner说Holliger的担忧在临床应用中使用寡核苷酸适配子是现货,但实际上认为自然nucelotides显示比天然的承诺临床上有用的寡核苷酸适配子。

DNA寡核苷酸适配子的一个原因可能并不总是工作在体内是链折叠,依靠基地在同一链之间的相互作用,”Benner说。问题是身体的,你有大量的DNA可以漂浮来破坏这些交互。但当折叠是基于人工组件之间的交互,这是不太可能会有外源DNA在生物样品,可以折叠和功能的破坏。”他也可以玩其他技巧,如交换自然磷酸基的DNA的硫代磷酸盐骨架,这是更难核酸酶酶降解。

寡核苷酸适配子是一个根本的问题在他们的基地将使比其他更好的粘结剂。将此意义的情况下,自支持范围的信件,会有更多优惠的空间绑定交互。直到去年,Hirao证实了这一点。他创建了一个大单股DNA,其中每个图书馆包括两个或三个他的不自然的Ds基地在预先确定的时间间隔。然后用SELEX协议从这个图书馆选择链绑定两个目标蛋白质。SELEX或系统的演化指数富集配体的,技术是当前生产寡核苷酸适配子的标准。它涉及混合图书馆与蛋白质和洗涤选择最好的绑定。然后再复制用PCR和混合蛋白质。经过七轮选择Hirao发现绑定的蛋白质寡核苷酸适配子与令人印象深刻的亲和力。更为关键的是,当他合成的寡核苷酸适配子版本Ds核苷酸被替换成自然界或T的亲和力下降了100倍。 Hirao says he not only showed his fifth base ‘greatly augmented aptamer function’ but in applying PCR in this way ‘proved the high fidelity of our base pair’.⁵

就在几个月前Benner犯了另一个进步同样,使用SELEX技术获得寡核苷酸适配子的第一个例子包含人工基地绑定到一个完整的细胞——乳腺癌细胞系,是精确的。⁶

一个不自然的未来?

核苷酸怪异依旧。尽管自然聚合酶比科学家先前所认为的更加宽容,他们仍然限制他们会接受什么样的基地。但可能会绕过这两个发展。

首先,一些化学家完全避免生物机械,使用改性聚合酶,将接受完全陌生的基地。大卫佩兰加拿大英属哥伦比亚大学的,例如,增加了对硝基功能链轴承一系列自然基地。他们中的一些人甚至有费用,使其蛋白质像。佩兰只有四个基地与目前的工作,但这可能会增加在未来。尽管他只有做催化剂,不寡核苷酸适配子,到目前为止,他的前景持乐观态度的方法,和Benner同意。

第二,可以修改复制后的基地。例如,在同一篇论文中,Romesberg报道他dTPT3基地,他也表明,一个版本与炔化合物的侧链几乎可以被复制。他说明他的观点通过链接炔烃与小分子生物素,但原则上各种功能性分子也可以使用,铺平了道路,本质上荧光DNA,例如。

开始后一个充满希望的追求大约20年前,化学家已经表明,让自然的核苷酸不仅是可能的,但是可以应用在很多不同的方式。Romesberg可能认为他接近自己的目标,但在外空生物学有多个触地得分。

Josh Howgego是一个基于科学记者在伦敦,英国