出品：科普中國
製作：夏至（關西科健產業研究院）
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
本周又有一株大腸桿菌登上了科學界的巔峰《自然》雜誌，號稱人類歷史上第一個全基因組被改寫的人工合成微生物。雖然「基因組改寫」和「人工合成」這樣的名詞在人造生命研究領域已經不算是新鮮說法了，這株人造大腸桿菌還是登上了各國科技媒體的頭條。它到底有什麼特殊之處，能夠稱得上歷史第一呢？
通俗地說，研究者們對大腸桿菌的整套DNA中的一些編碼進行了同義替換，然後從頭合成了這套「全新」的基因組，造出了這株叫做Syn61的人造大腸桿菌。由此可見，全基因組改寫確實沒錯，但並非是完全改寫，相當於一部書稿中對某幾個詞彙進行了同義替換。即便是這樣，這一成就也堪稱是人造生命研究史上的裡程碑事件。那麼，人造生命研究領域近年來發生了哪些大事件？它們與這次的成果相比有哪些異同之處？進行人造生命研究到底有什麼現實意義呢？
人造生命近年來的重大進展
人類歷史上首個合成生命的名號屬於2010年誕生的一個衣原體。當時的科研團隊參照自然存在的衣原體，人工合成了未經改動的大小約有1Mb的衣原體基因組，造出了第一個人工合成的微生物。
2018年中國製造的單染色體酵母，則是將酵母的多條染色體首尾相接，沒有對基因組進行大範圍的改寫，DNA也不是人工合成（酵母屬於真核生物，基因組有12Mb之大，遠遠超過衣原體），但畢竟是創造了自然界中不存在的物種，也算得上是第一個人造真核生物。
今年2月，日美科學家在《科學》雜誌上發表論文，介紹了它們最新合成的8鹼基DNA。我們在高中已經學過DNA是由ATGC四個鹼基排列構成的，而8鹼基DNA則是在通常四個鹼基基礎上，又添加了SBPZ四個新鹼基，合成了一段含有8種鹼基的DNA。8鹼基DNA可以說是目前人造生命研究領域中最為「人造」的一項重大成果，因為SBPZ四個新鹼基在自然界中根本不存在。可惜的是，這項成就在推廣方面沒有達到本身應有的高度，知名度不及其它幾項研究。
與這些歷史上的「第一」做個對比，就知道Syn61為何稱得上是第一個全基因組被改寫的人工合成微生物了（具有8鹼基DNA的微生物目前還未被製造出來）。Syn61是在一株經過冗餘基因刪除的大腸桿菌MDS42的基礎上進行改寫的。此前，其他科學團隊只做到了在大腸桿菌的全基因組中替換一個終止信號（且其DNA並非全人工合成），或者在一段基因中進行部分替換。
對遺傳語言的同義替換是如何做到的？
要搞清楚這個問題，先來複習一下生物的遺傳密碼DNA。
高中生物課告訴我們，地球上的一切生物，包括我們自身、我們的寵物、我們的食物和我們身上和體內的細菌等等，遺傳信息均由細胞核內染色體上稱為DNA（脫氧核糖核酸）的大分子所保存（部分病毒為RNA，即核糖核酸）。而DNA是用一套遺傳語言編碼而成的，且這套語言中只含有ATGC四個字母，A與T、G與C兩兩配對（在RNA中是AUGC，U代替DNA中的T，與A配對）。這四個字母代表的四種鹼基排列構成了我們的DNA，一段段記錄了遺傳信息的DNA就是基因。
在讀取基因記錄的信息時，相鄰的三個鹼基為一組，4種鹼基可能出現的排列組合就有64種，這樣的排列組合就是密碼子。每種密碼子可以對應一種胺基酸或者終止信號，64種密碼子對應了參與合成蛋白質的20種胺基酸和3個終止信號。
在製造蛋白質時，DNA的序列首先被轉錄到信使RNA中，蛋白質製造工廠——核糖體則以信使RNA為模板，讀取三個鹼基一組的遺傳信息，將一個個胺基酸連成一串，最終合成生命的基礎——蛋白質。只有4個字母的DNA中就是這樣攜帶了大量信息，再通過精巧的過程被解讀，使我們和寵物、食物、細菌的區別一目了然。
如下圖所示，信使RNA攜帶從DNA處轉錄而來的遺傳信息密碼子進入核糖體，轉移RNA攜帶胺基酸前來與之配對，把密碼子片段表示的胺基酸裝配成蛋白質。好比是串珠一般，信使RNA按照DNA的指示，決定了每顆珠子安放的位置，核糖體負責進行串珠操作，轉移RNA負責把五顏六色的各色珠子搬運到作業場所，拼合而成的珠串就是新合成的蛋白質。
然而，20種胺基酸對應的密碼子卻有61個， 終止信號還有3個，這樣就會產生多種密碼子對應同一種胺基酸的「冗餘」情況。事實上，對應同一種胺基酸的不同密碼子（被稱為同義密碼子）的效果並不是完全相同。在不同的物種中、不同的情況下，有一些密碼子的使用會多於另一些密碼子，這種現象叫做密碼子偏好，而即便是同義密碼子之間的替換也會改變蛋白質的表達情況。
構成人體20種胺基酸的密碼子表，圖中U即代表DNA中的T，作者供圖
大腸桿菌Syn61的重大意義在哪裡？
正常情況下，生物體中編碼蛋白質的密碼子即便存在「密碼子偏好」，也不會出現某種密碼子完全不會出現的情況。那麼問題就來了，是不是每一種密碼子都不可或缺？如果某幾種密碼子完全不出現在基因組中，生命體還能維持基礎功能嗎？
Syn61的重大意義就在於此。此次研究中，科學家們將兩個編碼絲氨酸的密碼子TCG和TCA分別用AGC和AGT進行替換（這四個組合都能編碼絲氨酸，參見上圖），將終止密碼子TAG替換成TAA，最終編寫了Syn61的基因組。Syn61即意為合成的、有61個密碼子（59個胺基酸密碼子+2個終止密碼子，正常情況是61個胺基酸密碼子和3個終止密碼子）。
這株「人工致殘」的大腸桿菌Syn61也確實與改編之前的祖先MDS42有些許不同：Syn61菌體的長度要略長於MDS42；在37℃下，Syn61比MDS42的複製速度要慢1.6倍。可見，即便是編碼同一個胺基酸，不同的密碼子對基因表達的影響也是不可估量的。要知道在這項研究中，科學家們在改編密碼子的時候已經非常小心翼翼了。考慮到DNA中G和C兩種鹼基的含量會影響DNA的性質，科學家選用了儘可能不改變G、C含量的改寫方法。
除了形態和生長速度方面的改變，刪除特定密碼子也給Syn61帶來了特殊的性質。首先，一種針對TCG密碼子的毒性物質對於Syn61來說毫無殺傷力。另外，對於普通大腸桿菌來說不可缺少的、TCA密碼子必需的物質，對於Syn61來說也可有可無。
那麼，騰出來的三個密碼子又有什麼用？簡單來說，如果細菌不需要這三個密碼子，我們就可以讓這些密碼子攜帶其他的信息，比如對應一種現有蛋白質中20種胺基酸之外的胺基酸，賦予大腸桿菌一些人類所需要的功能。當然，要做到這一步除了「密碼」要換，相應的「解碼器」也要換，這項技術離具體應用還非常遙遠。
密碼子不夠用，為什麼不增加鹼基呢！
4種鹼基最多只能組合出64種密碼子，除去細菌必需的密碼子，我們能夠利用的極其有限。另外一群美國科學家並沒有將思維局限於此，他們的思路是，增加鹼基數量，這樣密碼子想要多少就有多少，這就是我們文章第一部分提到過的8鹼基DNA。
這項新鮮出爐的研究發表在今年2月份的《科學》雜誌上。在通常的ATGC之外，他們模仿現有鹼基的結構創造了SBPZ四個新鹼基，合成了一段含有8個鹼基的DNA。文章的第一作者是一位日籍科學家，這個自豪的日本人和他慷慨的美國老闆將這種8鹼基的核酸命名為「Hachimoji」，即為日語「八文字」的發音。8鹼基DNA中S和B配對，P和Z配對，無論新鹼基如何排列，三維結構都可以完全維持4鹼基DNA的原狀，保證了8鹼基DNA的穩定存在和後續功能的執行。與之前或無法自然配對或無法維持DNA結構的人工合成鹼基相比，8鹼基DNA絕對稱得上是一項裡程碑式的發明。
當然這個團隊並沒有滿足於此，考慮到DNA只有將信息傳達出去才能實現其價值，他們通過改造現有的RNA聚合酶，找到了可以將8鹼基DNA轉錄成RNA 的那一個。SBPZ 四個新鹼基都有對應的RNA版本，因此新合成的8鹼基DNA可以無障礙地轉錄成RNA，並有望繼續執行功能。當然，8鹼基DNA和RNA的合成距離其成為真正的遺傳系統（至少需要能夠指導蛋白質的合成）還有很長的路要走，但是這條路終點的生物體，就是從各種意義上來講都當之無愧的人工合成生命。
人工合成的鹼基到底有什麼應用價值？
正如前面所說，新的鹼基可以幫助科學家利用新的胺基酸合成自然界中不存在的蛋白質，8種鹼基就相當於有了512種密碼子。除此之外，創造8鹼基DNA的團隊曾經發現，他們合成的含有鹼基Z和P的DNA能夠更好地和癌細胞結合。利用這項特性，人工合成DNA就可以在癌症的診斷、藥物定嚮導入等等方面發揮巨大作用。
如何用幾句話把上面的所有技術都歸納出來？
舉個可能有些不太準確的例子，遺傳信息好比是我們手中的一份文稿，有幾十頁。本來它們都按著頁碼疊在一起，但是你要是把它們一頁一頁首尾相接粘起來，這就和中國的單染色體酵母類似了。如果你把文稿中的一些詞彙全部替換為另外的說法，那就和這次的全基因組改寫大腸桿菌類似了。如果你在文稿中加入了另外一套之前誰都沒有見過的文字，這就是8鹼基DNA的情形，並且，由於你加入了全新的文字，很多其它的文稿處理軟體很可能沒法正確識別你的文檔，這就是所謂的8鹼基DNA還需要與之相應的技術支持才能真正發揮效用。
參考文獻：
1. https://www.nature.com/articles/s41586-019-1192-5
2. https://science.sciencemag.org/content/312/5776/1044
3.https://www.statnews.com/2019/05/15/recoded-bacteria-genome-made-from-scratch/
4. https://science.sciencemag.org/content/363/6429/884
5. https://www.nature.com/articles/d41586-019-00650-8