ADN Có Bốn Cơ Sở. Một Số Virus Hoán Đổi Bằng Cơ Sở Thứ Năm

Tất cả cuộc sống trên Trái Đất nằm trên cùng một nền tảng: một bảng chữ cái gen bốn chữ cái viết ra một bộ từ ba chữ cái chỉ định 20 axit amin. Những khối xây dựng cơ bản này - các thành phần của ADN và bộ dịch tử cấu trúc phân tử của chúng - nằm ở trung tâm của sinh học. “Khó tưởng tượng có điều gì quan trọng hơn,” Floyd Romesberg, một nhà sinh học tổng hợp tại công ty dược phẩm Sanofi nói.

Tuy nhiên, hóa sinh cơ bản của cuộc sống có thể đầy bất ngờ. Vài thập kỷ trước, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy virus đã đổi một trong bốn cơ sở trong ADN của họ thành một cơ sở thứ năm mới lạ. Bây giờ, trong một bộ ba bài báo được xuất bản trong Khoa học vào tháng 4, ba nhóm đã xác định hàng chục virus khác thực hiện sự thay thế này, cũng như các cơ chế làm cho nó có thể xảy ra. Những khám phá nâng cao khả năng gây nghĩ cho khả năng rằng loại thay đổi genomic cơ bản này có thể phổ biến và quan trọng hơn trong sinh học so với những gì ai cũng tưởng.

“Đây là sự xác nhận tuyệt vời rằng ngay trước mắt chúng ta, tự nhiên đã mở rộng,” nói Stephen Freeland, một nhà sinh học tại Đại học Maryland, Baltimore County.

“Điều này thực sự nói lên sự thích nghi của bảng chữ cái gen,” Romesberg nói.

Các nhà nghiên cứu từ lâu đã bị thu hút bởi khả năng rằng tiến hóa có thể đã đi theo hướng khác với bốn cơ sở của ADN: adenine (A), thymine (T), cytosine (C) và guanine (G). Có thể đã có nhiều hơn bốn trong số chúng, hoặc chúng có thể có tính chất hóa học hoặc tính kết hợp rất khác biệt, hoặc chúng có thể đã sử dụng một bộ luật khác để biểu diễn thông tin. Các nhà sinh học tổng hợp như Romesberg đã khám phá điều này bằng cách kỹ thuật các cặp cơ sở nhân tạo và axit amin bổ sung để tạo ra các protein mới lạ. Tuy nhiên, bởi vì sự sống của một sinh vật phụ thuộc vào việc duy trì bảng chữ cái gen và mã của nó, các thành phần chính xác trong công thức ADN được cho là đã được tiến hóa khóa chặt trong hàng tỷ năm - khiến chúng trở thành “sự cố đông lạnh,” theo lời của Francis Crick.

Nhưng đã xuất hiện một số ngoại lệ. Ví dụ, vào năm 1977, các nhà nghiên cứu tại Liên Xô phát hiện một điều kỳ lạ khi nghiên cứu một loại virus tấn công vi khuẩn quang hợp: Tất cả các A trong genoma đã được thay thế bằng một cơ sở thay thế, 2-aminoadenine, sau này được đặt tên là Z. Thông thường, C ghép với G và T ghép với A để tạo thành ADN đôi. Nhưng trong virus này, với không có A nào được tìm thấy, T ghép với Z. (Trong quá trình ghi chép gen, T-Z vẫn được xử lý như thể nó là T-A.)

Cơ sở Z trông giống như một sự sửa đổi hóa học của A; đó là một nucleotide adenine với một phần đính kèm thêm. Nhưng sự thay đổi khiêm tốn đó cho phép Z hình thành ba liên kết hydro với T, đây là một liên kết ổn định hơn so với liên kết đôi giữ lại A-T.

Phát hiện này rất đáng chú ý nhưng dường như chỉ là một trường hợp cô lập. “Nó đến như một sự tò mò, một điều thực sự kỳ lạ và không có ý nghĩa chung,” Philippe Marlière, một nhà di truyền học tại Đại học Evry ở Pháp và một trong những người đứng đầu trong nghiên cứu mới về gen Z nói. “Và vì vậy nó trở thành một phần của quên lãng, hơn hoặc ít hơn.”

Nhưng vì các sự thay đổi được thực hiện “tại cấp độ tổ chức hóa học sâu nhất,” ông nói, “trực giác của tôi nói với tôi rằng điều này không chỉ là một câu chuyện vặt. Đây là một vi phạm sâu sắc.”

Vào đầu những năm 2000, Marlière và đồng nghiệp đã ghép chuỗi gen của vi khuẩn phiền não mà nhóm Nga đã nghiên cứu, và họ xác định một chuỗi gen liên quan đến việc sản xuất cơ sở Z. Trong 15 năm tiếp theo, họ tìm kiếm sự trùng khớp trong cơ sở dữ liệu của các geno virus khác. Một nhóm khác, do các nhà nghiên cứu ở Illinois và Trung Quốc dẫn đầu, độc lập tham gia vào nỗ lực này.

Các nhà khoa học bây giờ đã báo cáo việc tìm thấy sự thay thế Z trong hơn 200 vi khuẩn phiền não. Phân tích sâu hơn của gen virus cho phép các nhóm nghiên cứu phát hiện một enzyme chính để tạo ra Z, cũng như một enzyme phân hủy nucleotide A tự do, làm cho Z có khả năng được hấp thụ hơn trong quá trình tổng hợp ADN.

Nhưng điều bất ngờ lớn nhất là các virus có một enzyme polymerase được dành riêng để ghép cặp các cơ sở Z với T trong quá trình sao chép ADN. “Đó giống như một câu chuyện cổ tích,” Marlière nói, người đã hy vọng tìm thấy một polymerase như vậy. “Giấc mơ hoang dã của chúng tôi thành sự thật.”

Điều này bởi vì trong khi các nhà khoa học đã khám phá ra các ví dụ khác về vi khuẩn phiền não tạo thay thế nucleotide, điều này “là polymerase đầu tiên thực sự được chứng minh loại bỏ một nucleotide chuẩn một cách chọn lọc,” Peter Weigele, một nhà nghiên cứu tại New England Biolabs nói, người nghiên cứu về tổng hợp cơ sở không chuẩn. Hệ thống đã tiến hóa để cho phép “một việc tái lập chương trình,” Romesberg nói - một việc có thể cung cấp cái nhìn mới về cách các polymerase hoạt động và cách để kỹ thuật chúng.

Z và các cơ sở DNA được sửa đổi khác dường như đã tiến hóa để giúp virus tránh các phòng thủ mà vi khuẩn phân hủy vật liệu gen ngoại lai. Cuộc đua vũ trụ vĩnh cửu giữa vi khuẩn phiền não và tế bào chủ có thể cung cấp áp lực lựa chọn đủ để ảnh hưởng đến điều gì đó dường như “thánh thiêng” như ADN, theo Romesberg. “Hiện tại, mọi người đều nghĩ rằng các sửa đổi chỉ đơn giản là bảo vệ ADN,” ông nói. “Mọi người hầu như coi nhẹ nó.”

Nhưng có thể có điều gì đó khác biệt: Ví dụ, liên kết ba của Z có thể làm tăng tính ổn định và cứng cáp của ADN, và có thể ảnh hưởng đến một số tính chất vật lý khác của nó. Những thay đổi này có thể mang lại lợi ích vượt ra ngoài việc trốn tránh phòng thủ của vi khuẩn và có thể làm cho những sửa đổi như vậy trở nên quan trọng rộng rãi hơn.

Cuối cùng, không ai thực sự biết được có bao nhiêu virus có thể đã thay đổi ADN của họ như vậy. “Các phương pháp [ghi chuỗi gen] tiêu chuẩn để tìm sự đa dạng sinh học trong tự nhiên sẽ không thể tìm thấy chúng,” Steven Benner, một nhà hóa học tại Quỹ Tiến hóa Phân tử Ứng dụng ở Florida, người đã tổng hợp vài cặp cơ sở nhân tạo, nói, “vì chúng ta đang tìm kiếm theo một cách giả định về hóa học sinh học chung mà không có ở đó.”

Những thay đổi bị bỏ qua như này có thể xuất hiện không chỉ trong virus mà còn trong nhiều loại vi khuẩn. “Có lẽ chúng ta đã bỏ qua một số điều như vậy trong thế giới vi khuẩn, phải không?” Chuan He, một nhà sinh hóa hóa học tại Đại học Chicago nói.

Sinh học tổng hợp (một lần nữa) đã chứng minh điều này là có thể. Trong nhiều năm, nhóm của Marlière đã tiến hóa E. coli sử dụng một cơ sở được sửa đổi thay vì nucleotide T. Huimin Zhao, một nhà hóa học tại Đại học Illinois, Urbana-Champaign và một trong những người lãnh đạo của một số công việc gen Z gần đây, đang cố gắng để có được E. coli và có thể là các tế bào khác để tích hợp Z giống như virus làm.

Romesberg nghĩ rằng những phát hiện này có thể đặt ra câu hỏi về việc sửa đổi ADN của vi khuẩn được cho là di truyền - tức là, các thay đổi được thực hiện vào các nucleotides sau khi ADN đã được tổng hợp, thường là để ảnh hưởng đến biểu hiện gen. Sự thay thế Z, ông nói, “chứng tỏ những điều mà bạn có thể nghĩ là di truyền có thể không phải là như vậy.”

“Tôi nghĩ mọi người cần phải nhìn vào những nơi mà họ nghĩ đã hiểu biết,” ông thêm. “Đó là nơi mà những điều bất ngờ xuất phát.”

Nhưng cũng có nhiều khả năng cho những điều bất ngờ trong những nơi ít được nghiên cứu, vì “chúng ta không thể nuôi cấy hầu hết vi khuẩn trên Trái Đất,” Carol Cleland, một nhà triết học khoa học tại Đại học Colorado, Boulder nói. “Có những thứ khác không gì chúng ta không thể nhận biết được?”

Marlière tự hỏi, ví dụ, liệu các nhà khoa học có thể một ngày nào đó phát hiện ra nhiều hơn một loại sửa đổi cơ sở trong một gen duy nhất. Hoặc có thể họ sẽ tìm thấy một thay đổi vào cấu trúc phân tử của ADN, trong trường hợp đó “nó sẽ không còn là ADN nữa,” ông nói. “Đó sẽ là cái gì đó khác.”

Chúng ta cần “ngừng coi nhẹ các thành phần của sinh học phân tử như chúng ta biết,” Freeland nói. “Chỉ vì các công cụ đo lường của chúng ta đã được cải thiện và chúng ta đã tìm kiếm mạnh mẽ hơn, mọi thứ mà chúng ta nghĩ là tiêu chuẩn và phổ quát chỉ đang biến mất.”

Câu chuyện gốc được tái in với sự cho phép từ Tạp chí Quanta, một tờ báo độc lập về biên tập của Tổ chức Simons có nhiệm vụ nâng cao sự hiểu biết công cộng về khoa học bằng cách bao phủ các phát triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học và các ngành khoa học tự nhiên và sinh học.

Những điều Tuyệt vời Hơn từ Mytour

• 📩 Tin tức mới nhất về công nghệ, khoa học và hơn thế nữa: Nhận bản tin của chúng tôi!
• Tù nhân, bác sĩ và cuộc chiến về chăm sóc y tế cho người chuyển giới
• Mỹ cần phải trở lại việc sản xuất chip
• Đây là 5 ổ đĩa lưu trữ di động tốt nhất
• QAnon chuyển hướng cuộc di cư trực tuyến bị lưu đày sang thế giới thực
• Hãy cực kỳ cẩn thận khi xây bức tường biển
• 👁️ Khám phá trí tuệ nhân tạo như chưa từng có với cơ sở dữ liệu mới của chúng tôi
• 🎮 Mytour Games: Nhận được các mẹo mới nhất, đánh giá và hơn thế nữa
• 💻 Nâng cấp trò chơi làm việc của bạn với đội ngũ Gear yêu thích laptop, bàn phím, cách gõ và tai nghe chống ồn