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天津大学药学院张雁教授在Science刊发文章揭示第五个碱基及非沃特森-克里克DNA合成机制

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  导读

  近日,天津大学药学院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Huimin Zhao教授等研究团队,在生命科学领域取得突破性研究成果: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。

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  这项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。该成果潜在应用价值广阔,包括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。论文于4月30日在国际顶级学术期刊《科学》刊发。天津大学为本项研究成果的第一完成单位。

  

  DNA是生命体的遗传物质,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四种碱基组成的DNA序列中。DNA四种碱基互补作用的双螺旋结构1953年由科学家揭示,构成生命中心法则的基础。目前唯一的例外是1977年前苏联科学家在感染蓝细菌的一株噬菌体中发现由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,然而这类特殊DNA的合成机制及普遍性一直未解。

  

  A图:关键酶PurZ参与的dZMP前体的生物合成图。

  B图:多个酶参与的噬菌体Z-基因组的生物合成通路图。

  C图:噬菌体SH Ab-15497基因组酶水解产物的液相色谱-紫外检测图。

  D图:Z-DNA的体外酶切实验图。

  此次中国科学家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。尽管DNA测序非常普及,但由于普通DNA测序手段并不能发现Z的存在,该团队利用酶水解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,并用最新一代的纳米孔DNA测序技术,对结果进行了进一步验证。

  张雁说:“我们发现了这种特殊DNA的合成机制,从而能够实现低成本量产,拓展了DNA在新材料、信息存储等多方面的可应用性。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,数公斤的DNA就可以存储目前人类所有的数据,新型DNA的Z碱基可以使DNA信息存储获得加密、分类等功能。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,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;抗生素在动物饲料以及食品防腐中的滥用也亟需替代。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,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具有广阔前景。”

  天津大学药学院的博士生周彦为论文的第一作者,上海科技大学ihuman研究所的博士生许雪霞以及新加坡科技研究局(A*STAR)的Yifeng Wei博士为共同第一作者。

  来源:天津大学(ID:tianda1895)

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