不再只有ATCG!科學家擴充了生命的遺傳密碼:ZPSB

2020-12-05 網易財經

地球上所有生命的遺傳信息都儲存在四種關鍵的化學物質中，也就是大家熟知的鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)。現在，有科學家腦洞大開，試圖擴充這套生命的密碼本。

雙螺旋結構的晶體結構，G(綠色)，A(紅色)，C(深藍色)，T(黃色)，B(青色)，S(粉色)，P(紫色)和Z(橙色)。 來源：美國應用分子進化基金會

北京時間2月22日，國際頂級學術期刊《科學》（Science）雜誌在線發表了一項最新成果，有研究團隊通過將四種合成核苷酸與核酸中天然存在的四種核苷酸結合，突破性地創造出具有八個字母的DNA分子，命名為「Hachimoji（日語『八』和『字母』）DNA」。

Steven Benner, 來源：美國應用分子進化基金會。

該論文的通訊作者為美國佛羅裡達州應用分子進化基金會（FfAME）項目負責人Steven Benner，Benner率領的研究團隊包括來自美國不同公司和機構的研究人員，論文第一作者為應用分子進化基金會的Shuichi Hoshika和Nicole A. Leal。

Benner認為，擴充版的密碼本，同樣可以支持生命。他們這項最新的這項研究首次系統性地證明，互補的非自然鹼基能夠相互識別並結合，它們形成的雙螺旋結構能保持穩定。

這項成果引發了多方關注和讚譽。「這是一個真正的裡程碑。」未參與研究工作的美國斯克裡普斯研究所的化學生物學家Floyd Romesberg說，這項研究表明，地球上進化的這四種化學物質並沒有什麼特別的魔力或特別之處。「這是概念上的突破，」他補充道。

正常情況下，當一對DNA鏈以雙螺旋的形式纏繞在一起時，每條DNA鏈上都有成對的鹼基：A和T，C和G，鹼基之間依賴氫鍵牢牢結合在一起。由鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)組成的兩對鹼基，加上在RNA中存在的尿嘧啶(U)，被認為是大自然創造地球上無窮無盡生命的所有基礎。

很長一段時間以來，科學家們一直試圖在這套遺傳密碼中加入更多的化學物質。Benner在20世紀80年代即首次創造了「非自然」的鹼基。其他研究小組也緊隨其後。2014年，Romesberg的實驗室在活體細胞中植入了一對非自然的鹼基，並因此轟動一時。

Benner認為，理論上可能會有更多。Benner預計算出，總共有四種其他氫鍵鹼基對是可能存在的，它們由八個新的結構組成。他說，「從本質上講，DNA還沒有完全利用其結構極限。正因為如此，DNA分子可以被擴展……你可以添加更多的字母。」

Benner的團隊此前已經將兩個合成核苷酸(一個鹼基對，Z和P)整合到DNA中，並證明它們可以在體外複製和轉錄。現在，他的團隊又增加了一對：S和B。

信息存儲、信息傳遞、可選擇表型、結構規整，團隊認為這是進化的四個要求。作為一個信息存儲系統，DNA必須遵循可預測的規則。該團隊首先證明，與標準鹼基類似，合成鹼基可靠地形成了對。他們創造了數百個合成DNA分子，發現這些字母可預見地與它們的「另一半」結合在一起。

然後他們發現，無論合成鹼基的排列順序如何，雙螺旋結構都保持穩定。這一點很重要，因為生命要進化，DNA序列必須能夠在不破壞整個結構的情況下變化。

此外，三種不同的「hajimoji DNA」寡核苷酸的高解析度晶體結構證實，不同的合成DNA序列在結晶時保持了相同的結構。

最後，研究小組還證明了合成的DNA可以被忠實地轉錄成RNA，這是對其信息傳遞能力的測試。「存儲信息的能力對進化來說不是很有趣，」Benner說，「你必須能夠把這些信息轉化成分子來做一些事情。」

從化學角度來說講，「hajimoji DNA」的外觀和表現與標準的DNA相似。然而，負責「讀懂」和「處理」核酸的酶是很難被欺騙的，因此，為了將「hajimoji DNA」轉錄到RNA，研究小組嘗試了許多噬菌體RNA聚合酶變體，直到他們發現其中一種能夠完成這項任務。

利用這種RNA聚合酶，研究小組轉錄了一種已知的RNA適配體的「hajimoji DNA」版本。這種適配體被稱為「Spinach」，能夠結合併照亮一個特定的螢光團。讓研究小組欣慰的是，轉錄的「hajimoji DNA」能夠如預期的那樣發光。

研究團隊認為，隨著基因構建塊的多樣性，科學家們有可能創造出比標準的四個字母更好的RNA或DNA序列，包括超越基因存儲之外的功能。

例如，Benner的研究小組先前發現，包含Z和P的DNA鏈在與癌細胞結合方面要比只有標準四個鹼基的DNA鏈更好。Benner還成立了一家公司，將人造DNA商業化用於醫學診斷。

研究人員有可能利用他們合成的DNA來製造新的RNA和蛋白質。實際上，Benner的團隊還開發了更多的鹼基對，這為創造包含十個甚至十二個字母的DNA結構提供了可能。但Romesberg說，事實上，研究人員已經將基因字母表擴展到八個，這本身就很了不起，「它已經是標準版的兩倍了。」

「這真是一篇激動人心的論文……一個真正的工程壯舉。它優雅地增加了DNA和RNA構建的數量，並極大地擴展了核酸的信息密度。」美國西北大學生物工程學家Michael Jewett如此讚嘆，他未參與此項研究。

美國里奇蒙大學生物學家Eugene Wu表示，「看到有人設計出這樣一個系統，真是令人興奮。」Wu同樣沒有參與這個項目，「它引起對生命起源問題的思考，為什麼是這四個核苷酸形成了核酸？為什麼不可能是八個或者其他數字呢？」

本文來源：澎湃新聞 責任編輯：楊澤宇_NF6036

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