DNA迎來4名新成員:4個鹼基變8個

2020-12-01 驅動之家

近日，一篇最新發表在《科學》期刊上的研究表明，生命「字母表」迎來4名新成員，已經從4個變成了8個！

這項研究被譽為裡程碑式的成果，它到底牛在何處呢？

今天，我們就為大家來簡單介紹一下。

A、T、C、G？這都是些啥？

在介紹這4名人工合成的新成員之前，先來認識一下4個元老級的天然鹼基吧。

在生物學領域，最激動人心的事件莫過於生命的誕生，也就是生命的起源。追溯這個問題，首先需要回答生命的物質基礎——基因，而基因是由4個天然鹼基組成的，它們的英文代碼分別是「C」「G」「T」「A」，對應的中文名字是胞嘧啶、鳥嘌呤、胸腺嘧啶、腺嘌呤，配對規則是C配G，T配A，C和G之間通過3個氫鍵相連，T和A之間是2個氫鍵。

從簡單的單細胞生物到靈長類，生命體的遺傳密碼就是由ATCG來記錄和傳遞的，如同一本神秘的生命密碼本，指導著蛋白質的合成和功能調控，包括我們人類的生老病死、高矮胖瘦，甚至我們的性格和健康狀況，基因都在默默的指導著，並且和環境因素、行為因素共同決定著我們的健康水平。懷孕的準媽媽們開展的羊水穿刺細胞學檢查和無創遺傳缺陷篩查，就是為了排除致病基因導致的出生缺陷。

基因管著這麼多的事情，一定是由很多密碼編碼的吧？恰恰相反，只有4個。那麼它們是怎麼實現這些功能的呢？靠的就是這4個鹼基的不同排列組合，並且通過DNA的甲基化、乙醯化修飾，DNA序列的剪接翻譯以及翻譯後修飾，DNA中不編碼蛋白質的鹼基序列，也參與基因的表達調控，對應產生了許許多多的變化。

4個鹼基產生了我們豐富多彩的大千世界，的確是非常神奇的事情。

人們不禁產生了一個疑問：DNA的鹼基為什麼只有4個呢？大家找來找去，確確實實只有4個，這就是非常奇特的事情了，只能由衷感嘆，它們太神奇了，它們是獨一無二的。

生命「字母表」翻倍了！

近期發生了一件大事情，那就是科學家們人工合成了4個新的鹼基，這樣一來，鹼基數量就有了8個之多。它們是什麼呢？

美國科學家StevenA. Benner將這4個新成員分別命名為「Z」「P」「S」「B」，它們的配對原則是Z配P，S配B，都是通過3個氫鍵相連。

何謂成功呢？包含這4個新鹼基的DNA結構必須是穩定的，熱動力學穩定性是可預測的，並且可以形成DNA雙螺旋結構，可以轉錄成RNA。

晶體學檢測數據顯示摻入的新鹼基並未乾擾DNA雙螺旋結構的形成。


DNA晶體X射線衍射結果顯示結構規則有序

DNA也成功的轉錄為RNA序列。

（通過470nm藍光激發的螢光檢測結果顯示摻入了新鹼基的DNA轉錄為RNA序列，A為RNA鹼基序列，B和E為陰性對照組，C為摻入新鹼基的DNA轉錄形成的RNA經激發後形成的螢光結果，D為陽性對照，是由天然鹼基轉錄形成的RNA。）

熱動力學檢測結果與預期計算的結果基本一致。


縱坐標為實驗檢測結果，橫坐標為預測溫度

多4個「字母」可選項有什麼意義？

1、人們認識到編碼遺傳信息的4個天然鹼基不是那麼神奇了，人類通過自己的力量，也可以合成攜帶遺傳信息的鹼基，打破了天然鹼基原有的神秘面紗，人類在認識大自然和自身的道路上又進了一步。「我們從哪裡來」、「認識我們自己」不就是經典的哲學問題嗎？

2、豐富了遺傳信息攜帶的物質基礎。經由8個鹼基來排列組合，與以前只有4個鹼基產生的排列組合產生的信息相比，那是大大的擴容了，由此可能產生具有新的功能的蛋白質分子。

3、疾病的早期檢測。例如包含P和Z的DNA序列能更好的與腫瘤細胞結合，可開發出腫瘤早期診斷的試劑。

4、外星生命探測。原有的外星生命探測中，對於遺傳物質的理解僅限於ATCG這四種鹼基，新鹼基的發現，在理解生命起源和外星生命探測方面提供了新的思路。

現有研究的局限性在哪？

1、從DNA到RNA目前可以實現，而關鍵的一步是DNA的自我複製，這需要DNA聚合酶，而天然體系裡面是沒有對應的DNA聚合酶的，這是一個瓶頸。

2、對於未知的DNA鹼基可能編碼的蛋白質而言，對於大自然是全新的，其功能如何，會不會產生具有活性的生物毒性分子，尚不可知，因此，研究對應新型鹼基從DNA到蛋白質的過程是暫停的，需要進行安全性評估和審核，才能進一步研究，生物安全是必須審慎考慮的環節。

寫在最後的話

這項研究所取得的突破是概念性的，它第一次展示了含有8種不同鹼基字母的DNA，但要實現一個真正的「八字母「合成基因系統，還需要進行更深入的研究。

 

- THE END -

#DNA

原文連結：科普中國 責任編輯：

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