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科学家破解特殊DNA合成机制

来源:科技日报2021-05-19 09:51

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  近日,天津大学张雁教授联合上海科技大学赵素文教授、美国伊利诺伊大学赵慧敏(音译)教授等,解析了一种特殊DNA的合成机制,并发现了这种特殊DNA遍布全球,大量能感染细菌的病毒(这种病毒也称为噬菌体)都含有这种DNA。

  这项刊发在《科学》上的重大发现,对生命起源、物种进化、系统生物学的研究具有重要理论意义。科技日报记者5月15日采访张雁时获悉,该成果将在超级耐药菌感染的治疗、绿色无抗生素畜牧饲料和食品保存技术开发、新型纳米材料制备、DNA信息存贮等领域,展开广阔的应用前景。

  从感染蓝细菌的噬菌体中发现特殊DNA

  DNA是生命体的主要遗传物质,决定生物的多样性和特征。生命的遗传信息存储在由A、G、C、T这4种碱基组成的DNA序列中。1953年,美国生物学家沃森和英国生物物理学家克里克解析了DNA的双螺旋结构,发现两条链之间存在特异性的碱基配对。A和T配对形成两个氢键,G和C配对形成三个氢键。4种碱基互补作用的双螺旋结构构成了生命中心法则的基础。

  目前唯一的例外是,1977年,科学家在感染蓝细菌的一株噬菌体中发现了由Z、G、C、T组成的DNA。这类特殊DNA用二氨基嘌呤(Z)完全取代正常的腺嘌呤(A),与胸腺嘧啶(T)配对,形成更稳定的三个氢键,极大地改变了DNA的物理化学特征。

  44年来,Z的合成机制、生物功能和普遍性一直未得到科学解释。

  地球上广泛存在含这类特殊DNA的噬菌体

  近日,科学家破解了这个秘密。科研团队找到了催化这一特殊DNA合成的多个酶,不仅涉及Z的合成,还包括A的消除。研究人员通过噬菌体基因组功能注释和同源序列分析发现,多个噬菌体中存在合成Z前体的关键酶PurZ。研究人员在含PurZ的基因簇上发现了两个特异的金属依赖的磷酸水解酶,并发现它们是消除A的关键酶。

  通过一系列实验,研究团队还解析了噬菌体Z基因组复杂的生物合成途径。在细菌与噬菌体亿万年的博弈中,细菌进化出了许多防御手段,噬菌体则发展出更多绕过细菌防御的策略,其中最广泛的就是修饰自己的DNA,用Z完全取代正常的A。

  尽管DNA测序非常普及,但普通DNA测序手段并不能发现Z的存在。科研团队利用酶水解DNA再进行组分分析的传统方法,证实了地球上广泛存在含这类特殊DNA的噬菌体,蓝细菌的这株噬菌体并不是唯一的特例。研究人员还用最新一代的纳米孔DNA测序技术,对研究结果进行了验证。

  可在新材料、信息存储等领域实现应用

  “利用发现的特殊DNA合成机制,可实现低成本量产含Z的DNA,并拓展其在新材料制备、信息存储等多方面的应用。”张雁介绍,“我们发现了这种特殊DNA的合成机制,能够实现低成本量产。比如人们通过设计DNA序列,使其在纳米甚至更小的尺度折叠成各种形状,从而作为新材料具有很好的应用前景,这种特殊DNA增加了结构的热稳定性,可以更快、更高效地折叠出特定3D结构的纳米材料。”

  而用DNA取代计算机二进制的图片、录像等数据存储,所需空间大幅缩小,据科学推算,几千克的DNA就可以存储目前人类所有的数据。新型DNA的Z碱基还可以使DNA信息存储获得加密、分类等功能。

  此外,抗生素滥用引起的超级耐药菌是人类医学面临的重大问题。抗生素在动物饲料以及食品防腐中的滥用也亟须替代。“噬菌体是细菌的天敌,我们发现这种特殊DNA不被细菌的防御机制识别。”张雁表示,替代抗生素的噬菌体疗法受到广泛关注,并且在临床上已有使用。装备了这类DNA的噬菌体对细菌更具杀伤力,作为广谱性杀菌生物制剂在医药、畜牧养殖、食品防腐等领域的应用将具有广阔前景。(陈 曦)

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