Biologi kodar information i DNA och RNA, som är komplexa molekyler finjusterade till sina funktioner. Men är de det enda sättet att lagra ärftlig molekylär information? Vissa forskare tror att livet som vi känner det inte kunde ha existerat innan det fanns nukleinsyror. Således, att förstå hur de kom att existera på den primitiva jorden är ett grundläggande mål för grundforskning.

Nukleinsyrornas centrala roll i det biologiska informationsflödet gör dem också till nyckelmål för läkemedelsforskning, och syntetiska molekyler som härmar nukleinsyror utgör grunden för många behandlingar för virussjukdomar, inklusive HIV. Andra nukleinsyraliknande polymerer är kända, men mycket är fortfarande okänt angående möjliga alternativ för ärftlig informationslagring. Med hjälp av sofistikerade beräkningsmetoder, forskare från Earth-Life Science Institute (ELSI) vid Tokyo Institute of Technology, German Aerospace Center (DLR) och Emory University utforskade den "kemiska grannskapet" av nukleinsyraanaloger. Förvånande, de hittade över 1 miljon varianter, föreslår en stor, outforskat universum av kemi som är relevant för farmakologi, biokemi och ansträngningar att förstå livets ursprung. Molekylerna som avslöjas av denna studie skulle kunna modifieras ytterligare för att producera hundratals miljoner potentiella läkemedelsledningar.

Nukleinsyror identifierades först på 1800-talet, men deras sammansättning, biologisk roll och funktion förstods inte av vetenskapsmän förrän på 1900-talet. Upptäckten av DNA:s dubbelspiralformade struktur av Watson och Crick 1953 avslöjade en enkel förklaring till biologiska och evolutionära funktioner. Alla levande varelser på jorden lagrar information i DNA, som består av två polymersträngar lindade runt varandra som en caduceus, med varje sträng som kompletterar den andra. När trådarna dras isär, kopiering av komplementet på endera mallen resulterar i två kopior av originalet. Själva DNA-polymeren är sammansatt av en sekvens av "bokstäver, "baserna adenin (A), guanin (G), cytosin (C) och tymin (T), och levande organismer har utvecklat sätt att se till att rätt sekvens av bokstäver nästan alltid reproduceras under DNA-kopiering. Sekvensen av baser kopieras till RNA av proteiner, som sedan läses in i en proteinsekvens. Proteinerna i sig möjliggör en mängd finjusterade kemiska processer som gör livet möjligt.

Små fel uppstår ibland under DNA-kopiering, och andra introduceras ibland av miljömutagener. Dessa små fel är fodret för naturligt urval:Vissa av dessa fel resulterar i sekvenser som producerar bättre organismer, även om de flesta har liten effekt; dock, många kan visa sig dödliga. Förmågan hos nya sekvenser att gynna värdöverlevnad är "spärren" som gör att biologin kan anpassa sig till de ständigt föränderliga utmaningarna i miljön. Detta är den underliggande orsaken till kalejdoskopet av biologiska former på jorden, från ödmjuka bakterier till tigrar:Informationen som lagras i nukleinsyror möjliggör "minne" i biologin. Men är DNA och RNA det enda sättet att lagra denna information? Eller är de kanske bara det bästa sättet, upptäckt först efter miljontals år av evolutionärt mixtrande?

"Det finns två sorters nukleinsyror i biologi, och kanske 20 eller 30 effektiva nukleinsyrabindande nukleinsyraanaloger. Vi ville veta om det finns en till eller till och med en miljon till. Svaret är, det verkar vara många fler än väntat, " säger professor Jim Cleaves vid ELSI.

Även om biologer inte betraktar dem som organismer, virus använder också nukleinsyror för att lagra sin ärftliga information, även om vissa virus använder RNA, en liten variant på DNA, som deras molekylära lagringssystem. RNA skiljer sig från DNA genom närvaron av en enda atomsubstitution, men överlag, RNA spelar efter mycket liknande molekylära regler som DNA. Det anmärkningsvärda är att dessa två molekyler i princip är de enda som används bland den otroliga variationen av organismer på jorden.

Biologer och kemister har länge undrat varför det skulle vara så. Är dessa de enda molekylerna som kan utföra denna funktion? Om inte, är de kanske bäst? Spelade andra molekyler en gång denna roll under evolutionen som sedan valdes ut för utrotning?

Nukleinsyrors centrala betydelse i biologin har också länge gjort dem till läkemedelsmål för kemister. Om ett läkemedel kan hämma förmågan hos en organism eller virus att producera liknande smittsamma avkommor, det dödar effektivt organismerna eller viruset. Att smutsa ner ärftligheten hos en organism eller ett virus är ett bra sätt att slå ihjäl den. Lyckligtvis, det cellulära maskineriet som hanterar nukleinsyrakopiering i varje organism är något annorlunda, och i virus, ofta väldigt olika.

Organismer med stora genom, som människor, måste vara mycket försiktig med att kopiera sin ärftliga information, och är därför mycket selektiva när det gäller att undvika fel prekursorer när de kopierar sina nukleinsyror. Omvänt, virus, som i allmänhet har mycket mindre genom, är mycket mer toleranta mot att använda liknande men lite olika molekyler för att kopiera sig själva. Det betyder kemikalier som liknar nukleinsyrors byggstenar, kända som nukleotider, kan ibland försämra biokemin hos en organism mer än en annan. De flesta viktiga antivirala läkemedel som används idag är nukleotid- eller nukleosidanaloger, inklusive de som används för att behandla HIV, herpes och viral hepatit. Många viktiga cancerläkemedel är också nukleotid- eller nukleosidanaloger, eftersom cancerceller ibland har mutationer som gör att de kopierar nukleinsyror på ovanliga sätt.

"Försöker förstå naturen av ärftlighet, och hur det annars kan förkroppsligas, är ungefär den mest grundläggande forskning man kan göra, men det har också några riktigt viktiga praktiska tillämpningar, " säger medförfattaren Chris Butch, tidigare vid ELSI och nu professor vid Nanjings universitet.

Eftersom de flesta forskare tror att grunden för biologi är ärftlig information, utan vilket naturligt urval skulle vara omöjligt, Evolutionsforskare som studerar livets ursprung har också fokuserat på sätt att göra DNA eller RNA från enkla kemikalier som kan ha uppstått spontant på den primitiva jorden. De flesta forskare tror att RNA utvecklades före DNA av subtila kemiska skäl. DNA är alltså mycket stabilare än RNA, och DNA blev livets hårddisk. Dock, forskningen på 1960-talet delade snart det teoretiska ursprungsfältet i två delar:de som såg RNA som det enkla "Occams rakkniv" svaret på problemet med ursprung-till-biologi och de som såg de många kinkarna i rustningen av RNA:s abiologiska syntes. RNA är fortfarande en komplicerad molekyl, och det är möjligt att strukturellt enklare molekyler kunde ha tjänat i dess ställe innan det uppstod.

Medförfattare Dr Jay Goodwin, en kemist vid Emory University säger, "Det är verkligen spännande att överväga potentialen för alternativa genetiska system baserade på dessa analoga nukleosider - att dessa möjligen kan ha dykt upp och utvecklats i olika miljöer, kanske till och med på andra planeter eller månar inom vårt solsystem. Dessa alternativa genetiska system kan utöka vår uppfattning om biologins "centrala dogm" till nya evolutionära riktningar, som svar och robust mot allt mer utmanande miljöer här på jorden."

Vilken molekyl kom först? Vad gör RNA och DNA unika? Det är svårt att utforska sådana grundläggande frågor genom att fysiskt tillverka molekyler i laboratoriet. Å andra sidan, beräkningsmolekyler innan de tillverkas kan potentiellt spara kemister mycket tid. "Vi blev förvånade över resultatet av den här beräkningen, " säger medförfattaren Dr. Markus Meringer. "Det skulle vara mycket svårt att på förhand uppskatta att det finns mer än en miljon nukleinsyraliknande ställningar. Nu vet vi, och vi kan börja titta på att testa några av dessa i labbet."

"Det är helt fascinerande att tänka att genom att använda moderna beräkningstekniker, vi kan snubbla på nya läkemedel när vi letar efter alternativa molekyler till DNA och RNA som kan lagra ärftlig information. Det är tvärvetenskapliga studier som denna som gör vetenskapen utmanande och rolig men ändå effektfull, " säger medförfattaren Dr. Pieter Burger, även vid Emory University.