突破生命法則極限!8鹼基DNA誕生,會是外星生命遺傳密碼?

2020-12-06 騰訊網

圖片來源：australasianscience

生命個體可以說是一個複雜而龐大的化學系統，為了維持生命的延續生命也在不斷自我演化。而演化的基礎就是DNA了，DNA用4個鹼基的排列組合完整地保存著遺傳信息，並利用RNA至蛋白的方法進行解碼，構築起整個生命體的基礎結構。這種DNA的4鹼基模式被認為是生命的基本存在形式，但是DNA只有4種鹼基才能存在嗎？Science上的最新文章給出了答案：8種鹼基的DNA也能存在。

撰文丨楊心舟

哈佛大學帶頭的科學團隊報導了一種全新的DNA，它不是由4種鹼基構成，而是8種。當然這種全新的DNA不是自然界產生的，而是由科學家合成出來的，其被稱作hachimoji DNA（在日語中hachi代表8，moji代表符號）。這種8鹼基的DNA可以正常支持生命體的活動，就像4鹼基DNA一樣。其結構也能按照預期進行鹼基配對，並轉錄成RNA並指導蛋白質合成。

在生物學的研究中，最關鍵也離不開的就是遺傳信息，無論是儲存、傳遞還是演化，都影響著包括人類在內的所有生命體的生存。現代生物學已經發現遺傳信息的載體就是DNA，雙螺旋的結構上連接著同樣大小的脫氧核糖核苷酸鹼基，兩條鏈相對應的鹼基用氫鍵緊密結合。

物理學家薛丁格認為，這種穩定的DNA結構得益於鹼基大小剛好合適，可以讓其構建成「非周期性晶體」（Aperiodic Crystal）。一般常見物質都是由周期性晶體構成，組合出來的是一個沒有生命現象的物理世界，如同馬賽克地板，雖然好看卻沒有生氣；而非周期性晶體（好似不規則凸多面體）可以組成千姿百態的生命體世界，出現生命現象。

薛丁格認為非周期性晶體保證了DNA分子信息的儲存能力和無誤的信息破解能力，並且它保證了DNA序列上鹼基出現變化時不會直接對整個DNA結構產生破壞性的影響。南加州大學的分子生物學家Myron F. Goodman在上世紀末就已經證明，氫鍵並不是必需的。而鹼基的大小統一非常重要。這讓科學家開始創造鹼基類似物，並將其混入到雙螺旋、體外核酸鏈以及活細胞中。7年前，科學家就已經把基因編碼鹼基從4種提升至6種。

第二代6鹼基DNA

我們的高中都學過，DNA就是4個鹼基A、T、G、C（腺嘌呤、胸腺嘧啶、鳥嘌呤、胞嘧啶）組成的。在65年前，沃森和克裡克發現DNA雙螺旋後就隨後證實，它們按照A-T，G-C的兩種方式進行組合。2012年，美國斯克利普斯研究所的合成生物學家Floyd E. Romesberg就創造出了第三對DNA鹼基組合，它稱其為5SICS-NaM。他檢測了在這對新鹼基加入後DNA的效率和保真性，發現能達到99.9%。

這也打開了DNA鹼基合成生物學的大門，時隔2年，Romesberg就將這個6鹼基系統導入了大腸桿菌中。意外地是，細菌對這種外來的新鹼基並不排斥，相反它們還將其當做DNA組件，完成了雙螺旋構建。為了簡化鹼基的名稱，Romesberg將其定義為X-Y鹼基，其表示，儘管只多了兩個鹼基，細胞可以合成的胺基酸數目就將從20種變成172種。

第三代8鹼基DNA

在當年Romesberg的6鹼基系統釋出時，Steven A. Benner稱讚其這是「巨大的成就」，「更新了自然的規則」。6個鹼基的系統，在利用氫鍵進行雙鏈連接後，DNA同樣可以完整地進行複製，並且能夠完成生物學的基礎PCR實驗。這激起了Benner極大地興趣，他提出一個問題，DNA雙螺旋的分子極限在哪裡？變成8個鹼基後是不是還能維持薛丁格的非周期性晶體結構？

5年後，Benner與多個單位合作給出了答案。他開發出了8鹼基系統，他將新增的鹼基命名為Z-P和S-B鹼基，它們與天然的鹼基一樣可以進行一一對應，並利用氫鍵結合。來自印第安納大學醫學院的研究團隊展示了8鹼基DNA的晶體結構，「新的DNA晶體結構完整，保持了正確的鹼基配對，同時沒有丟失天然DNA的關鍵性特徵。」Millie Georgiadis表示。

G (綠色), A(紅色), C (暗藍色), T (黃色), B (青色), S (粉色), P (紫色), and Z (橙色)

來自德克薩斯州大學奧斯汀分校的Andrew Ellington製造了一種轉錄酶，成功地將hachimoji DNA轉錄成了RNA。在地球上，在演化的初期遺傳信息都是以RNA形式儲存，這一過程中生物也不斷地修飾RNA組成的鹼基，來讓RNA完成一些催化功能。在有了4個鹼基的組合後，地球生命選擇了利用RNA合成蛋白質來完成大部分細胞功能，而轉向更穩定的DNA進行遺傳信息儲存。

人造的外星生命？

Ellington回答了一個非常有意思的問題，那就是其他星球上是否能合成8鹼基的DNA？他給我們構造了一個全新的世界，在這個世界中生命體有了4個鹼基後並沒有轉向蛋白質，而是繼續進行修飾更新，最後產生了更多的可用鹼基。Ellington 說，「我認為8鹼基DNA系統不可能憑空在細菌裡自我組裝出現，而是DNA-RNA-蛋白質這一中心過程共同完成合作進化而來，其他星球的生命是可能完成這項工作的。」

在去年，NASA就曾投入大量資金資助相關科學家找尋外星生命，在搜尋了木衛二、火星、土衛六都無果後，Benner就提出，外星生命更有可能出現在地球的實驗室。「目前來說，hachimoji DNA還不能說是外星生命，」Benner解釋道，「因為生命系統應該能完成自我延續。」而現在hachimoji DNA 系統還需要人為地添加鹼基和蛋白質維持功能。離開實驗室，hachimoji DNA 也是無法生存的。

現在Benner也嘗試利用它對一些其他分子進行追蹤和綁定，可以明確地是，hachimoji DNA能夠在培養皿中自動追尋和結合到肝癌細胞和乳腺癌細胞上。下一步，Benner正計劃將其改造成「癌細胞獵手」，專門搜尋癌組織和病毒。

8鹼基系統並不是Benner最終極的目標，他目前還在規劃一對新組合K-X鹼基，他想朝著10鹼基系統邁進。鹼基越多，就意味著密碼子的組合更多，這也能為計算機信息儲存提供新方向。DNA可以儲存多少信息，hachimoji DNA就能儲存2倍的信息量。Ellington認為這或許這能成為「密碼基因組學」的開端。「更多的鹼基組合意味著你能完成更大，更好，更穩定的資料庫。」

新技術出現後總是無法避免公眾的質疑，多鹼基系統同樣如此，總會有公眾擔心科學家是不是又創造了毀滅地球的怪物。Benner認為這是誇大其詞，hachimoji DNA離開實驗室後並不會有何作為，更不會吃掉你家養的小孩。但是其對生物醫學貢獻的潛力不容小覷，從目前的表現來看，hachimoji DNA很有可能成為監測疾病和病毒的新型藥物，因此不但不會對你的小孩有威脅，反倒在將來可能成為保護他們的新工具。

參考連結：

Hachimoji DNA and RNA: A geneticsystem with eight building blocks.

DOI: 10.1126/science.aat0971

https://www.pnas.org/content/109/30/12005.long

https://www.wired.com/2014/05/synthetic-dna-cells/

https://epigenie.com/expanding-the-genetic-code-with-synthetic-bases/

A Synthetic DNA Built from Eight Building Blocks.

http://ffame.org/downloads/Hachimoji_PressRelease_FfAME_20190221.pdf

https://www.wired.com/story/doubling-our-dna-building-blocks-could-lead-to-new-life-forms/

相關焦點

  • 8鹼基DNA的誕生,會是外星生命的遺傳密碼麼?
    ，因經過光譜分析後，地球上的元素與外太空的元素是一樣的，因而科學家們相信外星生命DNA與地球生命也是一樣的，幾十年來，一直以地球生命存在的方式來尋外星生命，但始終未嘗有所得。近期，一項由美國國家航空航天局（NASA）資助的項目，首次合成了具有穩定雙螺旋結構、可儲存和轉錄遺傳信息的8鹼基系統DNA序列（Hachimoji DNA），探索了可能承載「外星人」遺傳信息的遺傳字母系統。
  • 包含8個鹼基的合成DNA問世,或有助於搜尋外星生命
    地球生命的DNA包含四個鹼基，現在，美國科學家將生命「字母表」的數量增加了一倍，首次合成出包含八個鹼基的DNA。實驗表明，合成DNA似乎能像天然DNA一樣存儲和轉錄信息。發表於22日出版的《科學》雜誌的最新進展表明，宇宙中或許存在其他生命形式，這對於外星生命搜尋非常重要。
  • 生命遺傳密碼被成功「壓縮」
    科技日報北京5月15日電 （記者張夢然）生命的遺傳密碼並非全部必需？根據英國《自然》雜誌15日在線發表的一項最新研究，英國團隊成功「壓縮」遺傳密碼——使一種合成大腸桿菌（Escherichia coli）只需有限的蛋白質合成指令，就能編碼所有常見胺基酸。
  • 生命字母表新成員含這4位!科學家首次展示含有8種不同鹼基字母的DNA
    科學家首次展示含有8種不同鹼基字母的DNA  Evelyn Zhang • 2019-03-10 16:21:43　來源：前瞻網
  • 六個遺傳密碼的人造生命體,翻開合成生命新篇章
    撰文 | 葉水送　　在生命科學高強度滲透以及多方位的普及下，很少人不知道基因、DNA是什麼。基因是DNA鏈上一段可編碼蛋白的鹼基序列，由A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、C（胞嘧啶）和G（鳥嘌呤）四種密碼子組成，其中A與T配對，C與G配對，形成一條長長的遺傳密碼片段。
  • DNA迎來4名新成員:4個鹼基變8個
    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！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。
  • 人生的那些事-004 生命的底層密碼
    38億年前，生命在地球上誕生；500萬~700萬年前，人類誕生了。最近24億年，地球經歷了5次大的冰河時期，地震和火山噴發不計其數，儘管恐龍和劍齒虎等大型動物滅絕了，但還是有大量的動植物存活了下來，形成了我們今天多彩繽紛的世界。
  • 生命「字母表」改寫 人類編出8鹼基DNA
    自從基因編輯技術問世，人類對於生命的理解開始面臨重新洗牌，世上本不存在的生物也可能被人類「編輯」出來。由此，「上帝創造萬物」的神話也將被人類接手了。鏈科技小編今天獲悉一則震撼人心的新聞。原本，地球生命的DNA包含4個鹼基，現在，美國科學家將生命「字母表」的數量增加了一倍，首次合成出包含8個鹼基的DNA。生命的基因庫裡，這成倍的擴容，顯然表明人類製造生物的巨大潛力。這種人工合成的DNA性能毫不遜色，能像天然DNA一樣存儲和轉錄信息。這項成果似乎還與外星人有關，這一發表於《科學》雜誌的最新研究成果表明，宇宙中或許存在其他生命形式，這對於外星生命搜尋非常重要。
  • 恭喜生命字母表喜提4名新成員!上新了,DNA!
    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。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
  • 基因密碼解密｜文明與科技的碰撞，源於人類對宇宙與生命的思考
    從宇宙大爆炸，到元素生成，再到物質合成，以至於隨後的生命誕生。整個宇宙像是一個反應爐，裡面發生著不可思議的反應。這些反應就像按照提前設好的程序一樣，在某個時間，某個循環，執行某行代碼，某條邏輯。仔細琢磨，我們在孩童時候，都是在大概年齡段開始換牙。這便是基因表達具有時間和空間的特性。生命存在意義一直是人類思考的問題，而要了解生命存在的意義又必須要了解生命的本質。
  • DNA——獨一無二的生命遺傳樂章
    人們對於生命中的遺傳和變異現象越來越關注，並且越來越渴望知道藏在這些現象背後的本質。       1928年，英國細菌學家格裡菲斯進行了肺炎雙球菌的轉化實驗。其中，光滑形的菌株有毒，在小鼠體內導致敗血症，並使小鼠死亡；粗糙形的菌株無毒，在人或動物體內不會致病。令人驚奇的是，格裡菲斯將無毒活細菌與有毒死細菌的混合物注入小鼠體內，小鼠也死亡了。
  • 超越遺傳極限,人工合成出新鹼基對
    在我們傳統的學習中，自然界的DNA只有四種鹼基：A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、C（胞嘧啶）、G（鳥嘌呤），而在RNA中還存在一種額外的鹼基U。而我們所有人的DNA都是由這四種鹼基構成，他們無規則的組合也自然構成了生命物種的多樣性。
  • 具有擴展遺傳密碼的半合成生命
    進化是強大的，它已經經歷了數十億年的生命實驗，但進化也受其自身歷史的制約。例如，基於DNA中的兩對鹼基，地球上所有生命都使用相同的遺傳密碼-鳥嘌呤的胞嘧啶鍵和腺嘌呤的胸腺嘧啶鍵。這樣就產生了一個四字母的遺傳密碼字母（CTAG），並且還賦予了DNA雙鏈結構及其複製自身的能力。
  • 科學家擴充了生命的遺傳密碼:ZPSB
    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。
  • 科學家新擴充了生命的遺傳密碼:ZPSB
    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。「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。
  • 雙螺旋結構中心法則，他們解密了基因密碼，我們的科技才高速發展
    從宇宙大爆炸，到元素生成，再到物質合成，以至於隨後的生命誕生。整個宇宙像是一個反應爐，裡面發生著不可思議的反應。這些反應就像按照提前設好的程序一樣，在某個時間，某個循環，執行某行代碼，某條邏輯。仔細琢磨，我們在孩童時候，都是在大概年齡段開始換牙。這便是基因表達具有時間和空間的特性。生命存在意義一直是人類思考的問題，而要了解生命存在的意義又必須要了解生命的本質。
  • 科學家創造由8種鹼基組成的DNA,能像天然DNA一樣存儲和轉錄信息
    DNA 是一種複雜的分子，它儲存和傳遞著地球上幾乎所有生命體的遺傳信息。複雜的 DNA 其實只有四種鹼基排列組合而成，分別為鳥嘌呤、胞嘧啶、腺嘌呤和胸腺嘧啶，通常用字母 G、C、A 和 T 表示。四種不同類型鹼基的排列組合，就如同計算機語言中的「0」和「1」一樣，儲存著地球上所有生命的遺傳信息。但是現在，研究人員通過將 4 種人工合成的鹼基，與天然存在的四種核苷酸結合，創造出由 8 種鹼基組成的 DNA 分子，命名為「hachimoji」（在日語中 hachi 代表 8，moji 代表符號），並且能夠像天然 DNA 一樣存儲和轉錄信息。
  • 破解生命密碼
    《生命密碼2：人人都關心的基因科普》：尹燁著；中信出版集團出版。在與讀者朋友們的交流中，我發現大家對生命健康問題很感興趣，但很多人對決定生老病死的主要因素——基因，卻陌生得很。我們為什麼會生病？人類可能永生嗎？如何生育一個健康的孩子？
  • 科學家創造出由8種鹼基組成的DNA,能夠像天然DNA一樣存儲和轉錄信息
    複雜的 DNA 其實只有四種鹼基排列組合而成，分別為鳥嘌呤、胞嘧啶、腺嘌呤和胸腺嘧啶，通常用字母 G、C、A 和 T 表示。四種不同類型鹼基的排列組合，就如同計算機語言中的「0」和「1」一樣，儲存著地球上所有生命的遺傳信息。
  • 科學家首次合成包含六種鹼基的生命體,自然法則對生命40億年的統治終於被人類打破
    地球上所有的生命形式都使用了相同的遺傳字母（鹼基）：A、T、C、G。