寻找生命的化学：创建DNA碱基对的可能新方法

核碱粉末和钢球在研磨罐中。

在寻找生命的化学起源时，研究人员发现了特征性DNA模式出现的可能替代途径：根据实验，特征DNA碱基对可以通过干燥加热而形成，而无需水或其他溶剂。Rudjer Boskovic研究所的Ivan Halasz和Xellia制药公司的Ernest Mestrovic领导的研究小组在《化学通讯》杂志上发表了来自DESY的X射线源PETRA III的观测结果。

论文的第一作者，萨格勒布鲁德·博斯科维奇研究所（Rudjer Boskovic Institute）的托米斯拉夫·斯托拉尔（Tomislav Stolar）说：“寻找生命起源的最有趣的问题之一是化学选择是如何发生的，以及第一批生物分子是如何形成的。”尽管活细胞通过其先进的机械控制生物分子的产生，但生命的第一个分子和超分子构建基块很可能是通过纯化学方法产生的，并且没有酶催化。在他们的研究中，科学家们研究了脱氧核糖核酸（DNA）中作为分子识别单元的核碱基对的形成。

我们的遗传密码以特定的序列存储在DNA中，该序列由核碱基腺嘌呤（A），胞嘧啶（C），鸟嘌呤（G）和胸腺嘧啶（T）拼写而成。密码排列成两条缠绕在双螺旋结构中的互补长链。在链中，每个核碱基与另一链中的互补伴侣配对：腺嘌呤与胸腺嘧啶和胞嘧啶与鸟嘌呤。

“只有特定的配对组合才会出现在DNA中，但是当分离核碱基时，它们根本不喜欢彼此结合。那么自然为什么要选择这些碱基对呢？”斯托拉尔说。詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）在1953年发现DNA双螺旋结构后，对核碱基配对的研究激增。但是，令人惊讶的是，在可以被认为是益生元的条件下，实现特定核碱基配对的成功很少。

“我们探索了一条不同的道路，” DESY的合著者马丁·埃特（Martin Etter）报告。“我们试图找出碱基对是通过机械能还是仅通过加热产生。”为此，研究小组研究了甲基化的核碱基。具有甲基（-CH 3）连接至各个核碱基的原则上允许它们在分子的沃森-克里克侧形成氢键。甲基化的核碱基在许多履行各种生物学功能的活生物体中自然存在。

在实验室中，科学家试图通过研磨产生核碱基对。将两种核碱基的粉末与用作研磨介质的钢球一起装入研磨罐中，同时以受控方式摇动这些罐。该实验产生了A：T对，这也是其他科学家之前所观察到的。但是，研磨无法形成G：C对。

第二步，研究人员加热了磨碎的胞嘧啶和鸟嘌呤粉末。“在大约200摄氏度时，我们确实可以观察到胞嘧啶-鸟嘌呤对的形成，” Stolar报告。为了测试这些碱基是否仅在热条件下形成已知的碱基对，研究小组在DESY的X射线源PETRA III的P02.1测量站重复了三个和四个核碱基的混合物的实验。在此，可以在加热期间监测混合物的详细晶体结构，并且可以观察到新相的形成。

“在大约100摄氏度时，我们能够观察到腺嘌呤-胸腺嘧啶对的形成，而在大约200摄氏度时，沃森-克里克鸟嘌呤和胞嘧啶对的形成，”测量站负责人埃特说。“即使进一步加热直至融化，也不会形成任何其他碱基对。”这证明核碱基配对的热反应具有与DNA相同的选择性。

“我们的结果显示了一条可能的替代途径，即如何形成我们在DNA中观察到的分子识别模式，” Stolar补充道。“实验的条件对于年轻的地球是合理的，那是一个充满火山，地震，陨石撞击和各种其他事件的炽热，沸腾的大锅。”我们的结果为寻找生命的化学起源开辟了许多新途径。该小组计划在P02.1处进行后续实验，以进一步研究该路线。

DESY是世界领先的粒子加速器中心之一，研究物质的结构和功能-从微小的基本粒子的相互作用，新型纳米材料和重要生物分子的行为到宇宙的巨大奥秘。DESY在汉堡和Zeuthen所在地开发和制造的粒子加速器和检测器是独特的研究工具。它们产生世界上最强烈的X射线辐射，加速粒子以记录能量，并为宇宙打开新的窗口。DESY是德国最大的科学协会亥姆霍兹协会（Helmholtz Association）的成员，并获得了德国联邦教育和研究部（BMBF）（90％）以及德国汉堡州和勃兰登堡州（10％）的资助。

参考：“固态模型核碱基配对中的DNA特异性选择性”，作者Tomislav Stolar，Stipe Lukin，Martin Etter，Masa Rajic Linaric，Krunoslav Uzarevic，Ernest Mestrovic和Ivan Halasz，2020年9月9日，化学通讯。DOI：
10.1039 / D0CC03491F