科學家破解特殊DNA合成機制
來源:科技日報
發(fā)布時間:2021-05-19
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?????? 近日,天津大學張雁教授聯(lián)合上??萍即髮W趙素文教授、美國伊利諾伊大學趙慧敏(音譯)教授等,解析了一種特殊DNA的合成機制,并發(fā)現(xiàn)了這種特殊DNA遍布全球,大量能感染細菌的病毒(這種病毒也稱為噬菌體)都含有這種DNA。

??????? 這項刊發(fā)在《科學》上的重大發(fā)現(xiàn),對生命起源、物種進化、系統(tǒng)生物學的研究具有重要理論意義??萍既請笥浾?月15日采訪張雁時獲悉,該成果將在超級耐藥菌感染的治療、綠色無抗生素畜牧飼料和食品保存技術開發(fā)、新型納米材料制備、DNA信息存貯等領域,展開廣闊的應用前景。

??????? 從感染藍細菌的噬菌體中發(fā)現(xiàn)特殊DNA

??????? DNA是生命體的主要遺傳物質(zhì),決定生物的多樣性和特征。生命的遺傳信息存儲在由A、G、C、T這4種堿基組成的DNA序列中。1953年,美國生物學家沃森和英國生物物理學家克里克解析了DNA的雙螺旋結構,發(fā)現(xiàn)兩條鏈之間存在特異性的堿基配對。A和T配對形成兩個氫鍵,G和C配對形成三個氫鍵。4種堿基互補作用的雙螺旋結構構成了生命中心法則的基礎。

??????? 目前唯一的例外是,1977年,科學家在感染藍細菌的一株噬菌體中發(fā)現(xiàn)了由Z、G、C、T組成的DNA。這類特殊DNA用二氨基嘌呤(Z)完全取代正常的腺嘌呤(A),與胸腺嘧啶(T)配對,形成更穩(wěn)定的三個氫鍵,極大地改變了DNA的物理化學特征。

??????? 44年來,Z的合成機制、生物功能和普遍性一直未得到科學解釋。

??????? 地球上廣泛存在含這類特殊DNA的噬菌體

??????? 近日,科學家破解了這個秘密??蒲袌F隊找到了催化這一特殊DNA合成的多個酶,不僅涉及Z的合成,還包括A的消除。研究人員通過噬菌體基因組功能注釋和同源序列分析發(fā)現(xiàn),多個噬菌體中存在合成Z前體的關鍵酶PurZ。研究人員在含PurZ的基因簇上發(fā)現(xiàn)了兩個特異的金屬依賴的磷酸水解酶,并發(fā)現(xiàn)它們是消除A的關鍵酶。

??????? 通過一系列實驗,研究團隊還解析了噬菌體Z基因組復雜的生物合成途徑。在細菌與噬菌體億萬年的博弈中,細菌進化出了許多防御手段,噬菌體則發(fā)展出更多繞過細菌防御的策略,其中最廣泛的就是修飾自己的DNA,用Z完全取代正常的A。

??????? 盡管DNA測序非常普及,但普通DNA測序手段并不能發(fā)現(xiàn)Z的存在。科研團隊利用酶水解DNA再進行組分分析的傳統(tǒng)方法,證實了地球上廣泛存在含這類特殊DNA的噬菌體,藍細菌的這株噬菌體并不是唯一的特例。研究人員還用最新一代的納米孔DNA測序技術,對研究結果進行了驗證。

??????? 可在新材料、信息存儲等領域?qū)崿F(xiàn)應用

??????? “利用發(fā)現(xiàn)的特殊DNA合成機制,可實現(xiàn)低成本量產(chǎn)含Z的DNA,并拓展其在新材料制備、信息存儲等多方面的應用?!睆堁憬榻B,“我們發(fā)現(xiàn)了這種特殊DNA的合成機制,能夠?qū)崿F(xiàn)低成本量產(chǎn)。比如人們通過設計DNA序列,使其在納米甚至更小的尺度折疊成各種形狀,從而作為新材料具有很好的應用前景,這種特殊DNA增加了結構的熱穩(wěn)定性,可以更快、更高效地折疊出特定3D結構的納米材料。”

??????? 而用DNA取代計算機二進制的圖片、錄像等數(shù)據(jù)存儲,所需空間大幅縮小,據(jù)科學推算,幾千克的DNA就可以存儲目前人類所有的數(shù)據(jù)。新型DNA的Z堿基還可以使DNA信息存儲獲得加密、分類等功能。

??????? 此外,抗生素濫用引起的超級耐藥菌是人類醫(yī)學面臨的重大問題。抗生素在動物飼料以及食品防腐中的濫用也亟須替代?!笆删w是細菌的天敵,我們發(fā)現(xiàn)這種特殊DNA不被細菌的防御機制識別?!睆堁惚硎?,替代抗生素的噬菌體療法受到廣泛關注,并且在臨床上已有使用。裝備了這類DNA的噬菌體對細菌更具殺傷力,作為廣譜性殺菌生物制劑在醫(yī)藥、畜牧養(yǎng)殖、食品防腐等領域的應用將具有廣闊前景。


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