生物学将信息编码为DNA和RNA，这些信息是根据其功能微调的复杂分子。但是，它们是存储遗传分子信息的唯一方法吗？一些科学家认为，我们所知道的生命不可能在核酸存在之前就已经存在。因此，了解它们如何在原始地球上存在是基础研究的基本目标。核酸在生物信息流中的核心作用也使其成为药物研究的关键目标，而模仿核酸的合成分子构成了许多治疗包括HIV在内的病毒性疾病的基础。其他类似核酸的聚合物是已知的，但是关于遗传信息存储的可能替代方案仍然是很多未知的。东京工业大学地球生命科学研究所（ELSI），德国航空航天中心（DLR）和埃默里大学的科学家使用复杂的计算方法，探索了核酸类似物的“化学邻域”。令人惊讶的是，他们发现了超过一百万种变体，表明与药理学，生物化学和了解生命起源的努力相关的广阔的，尚未探索的化学领域。这项研究揭示的分子可以进一步修饰以产生数亿潜在的药物线索。
核酸最早是在19世纪发现的，但是直到20世纪，科学家们才了解它们的组成，生物学作用和功能。 Watson和Crick在1953年发现了DNA的双螺旋结构，为生物学和进化功能提供了简单的解释。地球上所有的生物都将信息存储在DNA中，该信息由两条聚合物链组成，就像一条杖一样，彼此缠绕，彼此互补。将股线拉开时，在任一模板上复制补体将产生原始模板的两个副本。 DNA聚合物本身由一系列“字母”组成，碱基包括腺嘌呤（A），鸟嘌呤（G），胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T），并且生物体已经进化出各种方法来确保适当的序列字母几乎总是在DNA复制过程中复制的。碱基序列被蛋白质复制到RNA中，然后被读入蛋白质序列。蛋白质本身可以实现许多精细的化学过程，使生命成为可能。在DNA复制过程中，偶尔会发生一些小错误，而某些其他错误有时是由环境诱变剂引起的。这些小错误是自然选择的饲料：其中一些错误会导致序列产生更适合的有机体，尽管大多数影响不大。然而，许多人可以证明是致命的。新序列有利于宿主存活的能力是“棘轮”，使生物学能够适应不断变化的环境挑战。这是万花筒从卑鄙的细菌到老虎的生物形态万花筒的根本原因：核酸中存储的信息允许生物学中的“记忆”。但是，DNA和RNA是存储此信息的唯一方法吗？或者，也许它们只是最好的方法，只有经过数百万年的进化修补后才发现？
“生物学中有两种核酸，也许有20或30种有效的核酸结合核酸类似物。我们想知道是否还有一个，甚至还有一百万个。答案是，似乎ELSI教授Jim Cleaves说。
尽管生物学家不认为它们是生物，但是病毒也使用核酸来存储其遗传信息，尽管有些病毒使用RNA（DNA上的微小变异）作为分子存储系统。 RNA与DNA的区别在于存在单个原子取代，但总的来说，RNA的作用与DNA相似。值得注意的是，这两个分子实际上是地球上各种令人难以置信的生物中唯一使用的分子。
生物学家和化学家一直想知道为什么会这样。这些是唯一可以执行此功能的分子吗？如果不是，那也许是最好的吗？是否有其他分子曾经在进化过程中扮演过这个角色，后来被选择灭绝了？
长期以来，核酸在生物学中的重要地位也使它们成为化学家的药物靶标。如果药物可以抑制生物体或病毒产生类似传染性后代的能力，则可以有效杀死该生物体或病毒。掩盖生物或病毒的遗传是杀死它的好方法。幸运的是，在每个生物体中管理核酸复制的细胞机制都略有不同，而在病毒中则常常大不相同。
具有大型基因组的生物（如人类）在复制其遗传信息时需要非常小心，因此在复制核酸时要避免选择错误的前体时要非常有选择性。相反，通常具有较小基因组的病毒更能容忍使用相似但略有不同的分子进行自我复制。这意味着类似于核酸组成部分的化学物质（称为核苷酸）有时会比另一种生物更损害一种生物的生物化学。当今使用的大多数重要抗病毒药物都是核苷酸或核苷类似物，包括那些用于治疗HIV，疱疹和病毒性肝炎的药物。许多重要的抗癌药物也是核苷酸或核苷类似物，因为癌细胞有时会发生突变，使它们以不寻常的方式复制核酸。
“试图了解遗传的本质以及如何将其体现出来，这是人们可以做的最基础的研究，但它也有一些非常重要的实际应用，”前ELSI和现为南京大学教授。
由于大多数科学家认为生物学的基础是可遗传的信息，如果没有遗传信息，就不可能进行自然选择，因此研究生命起源的进化科学家也致力于从可能自发发生在原始地球上的简单化学物质制造DNA或RNA的方法。大多数科学家认为，出于微妙的化学原因，RNA比DNA早进化。因此，DNA比RNA稳定得多，DNA成为生命的硬盘。然而，在1960年代的研究很快将理论起源领域一分为二：将RNA视为对生物学起源问题的简单“奥卡姆剃刀”答案的人，以及将RNA视为生物学合成基础的许多纽带。 RNA仍然是一个复杂的分子，在结构上更简单的分子可能在它出现之前就已经发挥了作用。
共同作者，埃默里大学化学家杰伊·古德温博士说：“考虑到基于这些类似核苷的替代遗传系统的潜力-可能在不同的环境中出现和进化，甚至是在其他环境中出现和进化，真是令人兴奋。这些替代的遗传系统可能将我们对生物学的“中心教条”的概念扩展到新的进化方向，以应对地球上日益严峻的环境，并具有强大的适应性。”
哪个分子先出现？是什么使RNA和DNA独一无二？通过在实验室中物理制备分子来探索这些基本问题是困难的。另一方面，在制造分子之前先对其进行计算可能会为化学家节省大量时间。共同作者马库斯·梅林格（Markus Meringer）博士说：“我们对这种计算的结果感到惊讶。” “很难先验地估计出有超过一百万个类似支架的核酸。现在我们知道了，我们可以开始在实验室中测试其中的一些核酸了。”
“绝对令人着迷的是，通过使用现代计算技术，我们可能会在寻找可以存储遗传信息的DNA和RNA的替代分子时偶然发现新药。正是这种跨学科研究使科学具有挑战性和乐趣。但仍然具有影响力。”合著者埃默里大学的彼得·伯格博士说。
