生物學將信息編碼為DNA和RNA，這些信息是根據其功能微調的復雜分子。但是，它們是存儲遺傳分子信息的唯一方法嗎?一些科學家認為，我們所知道的生命不可能在核酸存在之前就已經存在。因此，了解它們如何在原始地球上存在是基礎研究的基本目標。

核酸在生物信息流中的核心作用也使其成為藥物研究的關鍵目標，而模仿核酸的合成分子構成了許多治療包括HIV在內的病毒性疾病的基礎。其他類似核酸的聚合物是已知的，但是關于遺傳信息存儲的可能替代方案仍然是很多未知的。使用復雜的計算方法東京工業大學地球生命科學研究所(ELSI)，德國航空航天中心(DLR)和埃默里大學的科學家們探索了核酸類似物的“化學鄰居”。令人驚訝的是，他們發現了超過一百萬種變體，表明與藥理學，生物化學和了解生命起源的努力相關的廣闊的，尚未探索的化學領域。這項研究揭示的分子可以進一步修飾以產生數億潛在的藥物線索。

核酸最早是在19世紀發現的，但是直到20世紀，科學家們才了解它們的組成，生物學作用和功能。Watson和Crick在1953年發現了DNA的雙螺旋結構，為生物學和進化功能提供了簡單的解釋。地球上所有的生物都將信息存儲在DNA中，該信息由兩條聚合物鏈組成，就像一條杖一樣，彼此纏繞，彼此互補。將股線拉開時，在任一模板上復制補體將產生原始模板的兩個副本。DNA聚合物本身由一系列“字母”組成，這些堿基包括腺嘌呤(A)，鳥嘌呤(G)，胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)，生命有機體已經發展出各種方法來確保在復制DNA時幾乎總是復制適當的字母序列。堿基序列被蛋白質復制到RNA中，然后被讀入蛋白質序列。蛋白質本身可以進行許多精細的化學過程，使生命成為可能。

在DNA復制過程中，偶爾會發生一些小錯誤，而某些其他錯誤有時是由環境誘變劑引起的。這些小錯誤是自然選擇的麻煩：其中一些錯誤會導致產生更適合的生物的序列，盡管大多數影響不大。但是，許多人可能會致命。新序列有利于宿主存活的能力是“棘輪”，使生物學能夠適應不斷變化的環境挑戰。這是萬花筒從卑鄙的細菌到老虎的生物形態萬花筒的根本原因：核酸中存儲的信息允許生物學中的“記憶”。但是，DNA和RNA是存儲此信息的唯一方法嗎?還是只是最好的方法，

“生物學中有兩種核酸，也許有20或30種有效的核酸結合核酸類似物。我們想知道是否還有一個，甚至還有一百萬個。答案是，似乎ELSI教授Jim Cleaves說。

盡管生物學家不認為它們是生物，但是病毒也使用核酸來存儲其遺傳信息，盡管有些病毒使用RNA(DNA上的微小變異)作為分子存儲系統。RNA與DNA的區別在于存在單個原子取代，但總的來說，RNA的作用與DNA相似。值得注意的是，這兩個分子實際上是地球上各種令人難以置信的生物中唯一使用的分子。

生物學家和化學家一直想知道為什么會這樣。這些是唯一可以執行此功能的分子嗎?如果不是，那也許是最好的嗎?是否有其他分子曾經在進化過程中扮演過這個角色，后來被選擇滅絕了?

長期以來，核酸在生物學中的重要地位也使它們成為化學家的藥物靶標。如果藥物可以抑制生物體或病毒產生類似傳染性后代的能力，則可以有效殺死該生物體或病毒。掩蓋生物或病毒的遺傳是殺死它的好方法。幸運的是，在每個生物體中管理核酸復制的細胞機制都略有不同，而在病毒中則常常大不相同。

具有大型基因組的生物(如人類)在復制其遺傳信息時需要非常小心，因此在復制核酸時要避免選擇錯誤的前體時要非常有選擇性。相反，通常具有較小基因組的病毒更能容忍使用相似但略有不同的分子進行自我復制。這意味著類似于核酸組成部分的化學物質(稱為核苷酸)有時會比另一種生物更損害一種生物的生物化學。當今使用的大多數重要抗病毒藥物都是核苷酸或核苷類似物，包括那些用于治療HIV，皰疹和病毒性肝炎的藥物。許多重要的癌癥藥物也是核苷酸或核苷類似物，因為癌細胞有時會發生突變，使其復制核酸以不尋常的方式。

“試圖了解遺傳的本質以及如何將其體現出來，這是人們可以做的最基礎的研究，但它也有一些非常重要的實際應用，”前ELSI和現為南京大學教授。

由于大多數科學家認為生物學的基礎是可遺傳的信息，如果沒有遺傳信息，就不可能進行自然選擇，因此研究生命起源的進化科學家也致力于從可能自發發生在原始地球上的簡單化學物質制造DNA或RNA的方法。大多數科學家認為，出于微妙的化學原因，RNA比DNA早進化。因此，DNA比RNA穩定得多，DNA成為生命的硬盤。然而，在1960年代的研究很快將理論起源領域分為兩部分：將RNA視為對生物學起源問題的簡單“奧卡姆剃刀”答案的人，以及將RNA視為生物學合成的鎧甲的許多紐帶。RNA仍然是一個復雜的分子，

共同作者，埃默里大學化學家杰伊·古德溫博士說：“考慮到基于這些類似核苷的替代遺傳系統的潛力-可能在不同的環境中出現和進化，可能真的很令人興奮。這些替代的遺傳系統可能將我們對生物學的“中心教條”的概念擴展到新的進化方向，以應對地球上日益嚴峻的環境，并具有強大的適應性。”

哪個分子先出現?是什么使RNA和DNA獨一無二?通過在實驗室中物理制備分子來探索這些基本問題是困難的。另一方面，在制造分子之前先對其進行計算可能會為化學家節省大量時間。共同作者馬庫斯·梅林格(Markus Meringer)博士說：“我們對這種計算的結果感到驚訝。” “這將是很難估計的先驗，有超過一百萬nucleic- 酸像支架。現在我們知道了，我們可以開始尋找到一些測試，這些在實驗室。”

“絕對令人著迷的是，通過使用現代計算技術，我們可能會在尋找可以存儲遺傳信息的DNA和RNA的替代分子時偶然發現新藥。正是這種跨學科研究使科學具有挑戰性和樂趣。但仍然具有影響力。”合著者埃默里大學的彼得·伯格博士說。