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抗生素|科学家破解特殊DNA合成机制 可在新材料等领域实现应用

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科学家破解特殊DNA合成机制
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 。 科技日报采访人员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 。
【抗生素|科学家破解特殊DNA合成机制 可在新材料等领域实现应用】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 。
本报采访人员 陈 曦 通讯员 赵 晖

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