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天津大學藥學院張雁教授在頂級學術期刊《科學》上刊發(fā)文章揭示第五個堿基及非沃特森-克里克DNA合成機制

來源:天津大學藥學院      2021-05-11
導讀:近日,天津大學張雁教授聯(lián)合上??萍即髮W趙素文教授、美國伊利諾伊大學Huimin Zhao教授等研究團隊,在生命科學領域取得突破性研究成果:解析了一種特殊DNA的合成機制,并發(fā)現(xiàn)了這種特殊DNA遍布全球,大量能感染細菌的病毒(這種病毒也稱為噬菌體)都含有這種DNA。

近日,天津大學張雁教授聯(lián)合上??萍即髮W趙素文教授、美國伊利諾伊大學Huimin Zhao教授等研究團隊,在生命科學領域取得突破性研究成果:解析了一種特殊DNA的合成機制,并發(fā)現(xiàn)了這種特殊DNA遍布全球,大量能感染細菌的病毒(這種病毒也稱為噬菌體)都含有這種DNA。這項重大發(fā)現(xiàn)對生命起源、物種進化、系統(tǒng)生物學的研究具有重要理論意義。該成果潛在應用價值廣闊,包括超級耐藥菌感染的治療、綠色無抗生素畜牧飼料和食品保存技術開發(fā)、新型納米材料制備、DNA信息存貯等。論文于430日在國際頂級學術期刊《科學》刊發(fā),并被作為內(nèi)封面。天津大學為本項研究成果的第一完成單位。


DNA是生命體的遺傳物質,決定生物的多樣性和特征。生命的遺傳信息存儲在由A、G、CT四種堿基組成的DNA序列中。DNA四種堿基互補作用的雙螺旋結構1953年由美國科學家沃特森和英國科學家克里克揭示,構成生命中心法則的基礎,二人因此獲得諾貝爾獎。目前唯一的例外是1977年前蘇聯(lián)科學家在感染藍細菌的一株噬菌體中發(fā)現(xiàn)由ZG、C、T組成的DNA。這類特殊DNA用二氨基嘌呤(Z)完全取代正常的腺嘌呤(A),與胸腺嘧啶(T)配對,形成更穩(wěn)定的三個氫鍵,極大地改變了DNA的物理化學特征,然而這類特殊DNA的合成機制及普遍性一直未解。以上研究團隊找到了催化這一特殊DNA合成的多個酶,不僅涉及Z的合成,還包括A的消除。盡管DNA測序非常普及,但由于普通DNA測序手段并不能發(fā)現(xiàn)Z的存在,該團隊利用酶水解DNA再進行組分分析的傳統(tǒng)方法,證實了地球上廣泛存在含這類特殊DNA的噬菌體,并用最新一代的納米孔DNA測序技術,對結果進行了進一步驗證。


張雁教授介紹:我們發(fā)現(xiàn)了這種特殊DNA的合成機制,從而能夠實現(xiàn)低成本量產(chǎn),拓展了DNA在新材料、信息存儲等多方面的可應用性。人們通過設計DNA序列,使其在納米甚至更小的尺度折疊成各種形狀,從而作為新材料具有很好的應用前景,這種特殊DNA增加了結構的熱穩(wěn)定性,可以更快、更高效地折疊出特定3D結構的納米材料。而用DNA取代計算機二進制的圖片、錄像等數(shù)據(jù)存儲,所需空間大幅縮小,據(jù)科學推算,數(shù)公斤的DNA就可以存儲目前人類所有的數(shù)據(jù),新型DNAZ堿基可以使DNA信息存儲獲得加密、分類等功能??股貫E用引起的超級耐藥菌是人類醫(yī)學面臨的重大問題,替代抗生素的噬菌體療法受到廣泛關注,并且在臨床上已有使用;抗生素在動物飼料以及食品防腐中的濫用也亟需替代。噬菌體是細菌的天敵,我們發(fā)現(xiàn)這種特殊DNA不被細菌的防御機制識別,裝備了這類DNA的噬菌體對細菌更具殺傷力,作為廣譜性殺菌生物制劑在醫(yī)藥、畜牧養(yǎng)殖、食品防腐等領域的應用具有廣闊前景。

天津大學藥學院的博士生周彥為論文的第一作者,上海科技大學ihuman研究所的博士生許雪霞以及新加坡科技研究局(A*STAR)的Yifeng Wei博士為共同第一作者。


參考資料

[1] 藥學院張雁教授在頂級學術期刊《科學》上刊發(fā)文章揭示第五個堿基及非沃特森-克里克DNA合成機制http://spst.tju.edu.cn/chinese/xydt/xyxw/202104/t20210430_320390.htm#

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