随机的DNA可以导致安全 新的抗生素和除草剂吗

当iPod中的电池耗尽时，我正在割草。我的大脑没有享受音乐的分散，而是转向通常的书呆子模式来思考分子。在几草丛中，我正在思考最大的“为什么不呢?” 我的科学事业：我们能否通过随机化学集群挑战生物来发现新药和有用的农业化合物?我的背景是分子生物学 - 研究DNA，基因以及生物体的蓝图如何被解码并组装成生命。该学科需要了解分子代码如何被破译并转化为功能生物学。这个领域的任何人都梦想着跳舞分子，互动和履行将DNA信息转化为食物，环境中的植物和家庭的角色。

每天在实验室中我们都会移动基因。这很简单。不打算为消费者生成新产品，移动DNA被用作研究工具，让我们了解特定基因的工作原理。一个典型的例子是来自模式植物拟南芥的NPR1基因 ; 它是一种防御基因，当你将它放入几乎任何植物的基因组中时，它可以增强对疾病的耐受性。在植物，微生物和一些动物中操纵遗传信息是司空见惯的事。

在那半切割的草坪上，我想到了 - 不是插入我们理解的DNA信息，如果我们将乱七八糟的随机DNA代码引入植物或细菌中，该怎么办?我们能否识别出可能产生改变生物体生理或发育的小蛋白质(称为肽)的遗传信息的随机位?

通常，DNA编码指令，其协调蛋白质中氨基酸结构单元的顺序。每种氨基酸都具有特定的化学特性。它们在肽链中结合在一起，基于其氨基酸组分的互补化学，它们折叠成提供细胞结构或功能的蛋白质。

我的假设是，短暂的，乱码的DNA信息可能会产生一系列新的氨基酸。这将是一小部分离散化学，可能在此之前从未存在过。在绝大多数情况下，它将毫无意义，只会变成细胞垃圾。但也许在极少数情况下它可以做一些新的和可取的事情。

为了验证这一假设，我们的研究团队使用随机模板，使用简单的DNA扩增技术合成了数万亿个随机DNA片段。每个都侧翼有遗传指令，以开始和停止在植物内产生肽。

然后我们使用标准的基因工程技术将一种新的DNA序列插入成千上万个拟南芥植物中 - 然后坐下来观察当植物将随机遗传信息转化为小的随机肽时会发生什么。我们希望特定蛋白质结构可能与生物化学有关，我们会在植物本身看到结果。

随着植物的生长，我们被观察到的东西震惊了。

有些植物开花得很早。其他人小而且发育不良。其他人长得更大。有些人装有健康的紫色色素。还有一些人长大到一定程度......然后就死了。

然后，我们检索了我们添加到每个序列的特定随机DNA序列，这是分子生物学家的一个简单的壮举，并将相同的序列插入到新植物中。大多数时候，随机信息以完全相同的方式影响新一代植物，证明确实发生了与添加的乱码信息有关的事情。我们最近在植物生理学杂志上发表了我们的研究结果。

这个随机信息在细胞内做什么?插入的DNA指令产生的小的随机分子可能只是偶然地影响特定的过程。它们可以结合所需的营养素。它们可能会抑制一种关键酶。它们可以开启开花或保护植物免于冻结。没有人真正知道如何逐一详细检查植物。这些新蛋白质也可能是设计具有相似化学性质的新有用分子的良好模型，但在细胞中更耐用。我们的目标是生产一种可以应用于作物的化合物，以改变植物生长和行为的方式，或者可能阻止侵入性或杂草植物的生长。

这个过程就像把猴子扳手扔进一台复杂的机器里。大多数时候他们四处奔波并且什么都不影响; 但是很长一段时间，扳手会抓住一些关键的齿轮并使机器停下来。其他时候，扳手可能会使浪费的过程短路，从而使机器更有效地运行。这些肽是分子猴子扳手。

这些肽中的一些必须干扰重要的生物过程，因为它们会杀死植物。这些研究结果揭示了植物中新的脆弱性，研究人员可以利用这些脆弱性来开发环保和无毒的除草剂。农业目前依赖于一些相对陈旧的化学物质，种植(使用化石燃料)或人工来控制与食用植物竞争资源的杂草。良好的杂草控制意味着有价值的肥料，水和阳光只能到达所需的植物，而不是杂草。因此，当农民为不断增长的种群生产食物时，新的除草剂化学品将非常有价值。

但为什么要停在植物?我们正在使用相同的方法来发现下一代抗生素。目标是识别影响单一种类有问题细菌的随机信息。例如，我们可能靶向金黄色葡萄球菌，这是一种导致MRSA的抗生素抗性细菌。我们正在寻找可以破坏与MRSA相关的细菌的新分子，同时使其余的微生物组不受影响。这些实验正在我们的实验室中进行。

随机性可以确定植物，细菌和其他生物中未发现的脆弱性或机会。甚至可能有解决人类疾病的应用。当我们挖掘大量新分子并研究它们如何与生物学整合以产生重要的预期结果时，未来是令人兴奋的。

我们已经发现的几种分子减缓了植物的生长。该技术的未来产品甚至可能被用于使草坪生长更慢。虽然其他人可能会发现此预付款有用，但我必须跳过使用它。割草让我的好主意流淌。