美國的科學家成功將人工設計的鹼基，即自然界中原本並不存在的鹼基，插入一種細菌的基因組中。這些帶有人工鹼基的細菌又成功複製了人造的遺傳物質，並產生了後代，出現了可持續繁殖的半人工生命。這意味著，科學家向生物基因組裡加入了兩個新的人造「零件」。利用這些新的「零件」，科學家或許會創造出更複雜的生物，併合成自然界沒有、而人工方法又不易合成或提純的藥品。
鹼基「寫成」生命的DNA
根據科學分析，每一個人擁有400萬億個細胞。除了紅血球外，人體細胞都擁有一個由46種染色體組成的細胞核，染色體本身又由DNA構成。DNA分子由兩條很長的糖鏈結構形成「骨架」，通過鹼基對結合在一起，就像梯子一樣。整個分子環繞自身中軸形成一個雙螺旋。在形成穩定螺旋結構的鹼基對中，共有4種不同鹼基。依據它們英文名稱的首字母，分別被稱為A、T、C、G，對應的中文名稱分別為：腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶、鳥嘌呤。此外，還有一種鹼基U，即尿嘧啶，只出現在另外一種遺傳物質RNA裡。
這些自然界原本就有的鹼基，有各自固定的搭配，例如，A總與T配對，G總與C配對。這些鹼基沿著DNA「骨架」排列。多個鹼基的獨特順序就構成一個基因，就像「字母」組合成「詞語」一樣。而每個基因可能會有幾百甚至幾萬個鹼基組合。因此，地球上所有生命的DNA都由A、T、C、G這些「字母」寫成，一切生物多樣性都由它們承載。三十八億年來，地球上的生命都是遵從這一規律的安排繁衍生長。
科學家卻不滿足這樣的規律。早在20世紀60年代，已經有科學家在思考，生命是否能用其他化合物存儲遺傳信息。但直到1989年，人類才獲得實質性突破。瑞士聯邦技術中心的史蒂芬·本納將特殊形式的C和G鹼基加入DNA。這些鹼基被研究者稱為「滑稽字母」，但結果並不滑稽，反而相當振奮人心——DNA在試管中能自我複製，並能轉錄成RNA，合成蛋白質。
近些年來，還有不少關於「新鹼基」的報導。但它們要麼不能穩定複製，要麼是利用生物體內的「普通」鹼基修飾而來，在嚴格意義上，都不是真正的「新鹼基」。
2014年3月27日，紐約大學的一個研究團隊報告了生物合成學領域的一次重大飛躍：他們重新設計併合成了一條酵母菌的染色體，並把這條染色體成功整合進活體酵母菌細胞之中。而攜帶這條合成染色體的酵母菌細胞表現正常，與野生酵母菌細胞幾乎一模一樣，而且比野生酵母菌多了些新的功能。研究團隊負責人、遺傳學家傑夫·伯克認為，這是一項具有裡程碑意義的研究成果，「就像第一個人類基因組測序完成一樣」。
從試管進入活細胞
美國加州斯克裡普斯研究所資深科學家弗洛伊德·羅姆斯伯博士對此有更大膽的想法：製造全新的鹼基。他說：「設想一下，如果英語只有四個字母，比如有三個輔音和一個元音，也許可以寫幾個詞，用它講幾個粗糙的故事。但是如果多幾個字母，人們就能多寫很多東西。能夠儲存更多的信息，能寫更有意思、更複雜、更微妙的詞，更好的講故事。」
「地球上所有生命僅源自兩個DNA組合，即A-T和C-G的多樣性，目前我們複製的這種生物體包含著第三對非自然DNA組合。不是說我覺得生命『需要』更多的遺傳信息，但是我認為，如果我們給生命以使用更多字母的能力，我們對它的理解會深入很多，也能開發出更多種類的藥物。」因此弗洛伊德·羅姆斯伯的團隊致力於創造一對新的互補鹼基，其結構和已知鹼基完全不同，並把它放進了最常見的實驗室細菌——大腸桿菌裡。
2014年5月，他們首次將人工設計的鹼基——即自然界中原本並不存在的鹼基——插入大腸桿菌基因組。當大腸桿菌複製時，這些人造鹼基也成功複製了，而且至少能複製24輪。這些帶有人工鹼基的大腸桿菌產生了後代，製造出了可持續繁殖的半人工生命。這是弗洛伊德·羅姆斯伯嘗試的三百多種人造鹼基中，第一個能被細胞的複製機制識別的鹼基組合。這種含有人工鹼基的DNA有望改造現有生命形態，指導生物體合成前所未有的蛋白質類型，拓寬蛋白質功能。「這非常激動人心。」德克薩斯奧斯汀大學的羅斯·泰爾在《自然》上發表評論說，「從試管到活細胞是巨大的進步。」
羅姆斯伯介紹說，他們研究新鹼基已經有15年。他們先人工合成各種鹼基類似物，然後測試產物是否能被負責複製DNA的聚合酶識別。在約300種化合物中，篩選出了60種候選組合。從2008年開始，該團隊試圖從候選組合裡尋找全新的「鹼基配對」，在3600種組合中，他們發現d5SICS和dNaM很有希望，將其命名為X和Y。實驗證明，這對人造鹼基在試管中能自我複製，而且被轉錄成了RNA。不過，它們的配對有些勉強，不像普通鹼基那樣穩定。
雖然使用了X和Y的代號，但是羅姆斯伯說，這對鹼基的真正名字是d5SICS—dNaM。「這挺尷尬的，我們的名字糟透了。這名字只是非常複雜的化學名的簡寫。」羅姆斯伯解釋道，因為他的實驗室過去幾年裡探索了如此多的人工鹼基，「我們沒法給每個都起上諸如X、Y、α或者β這樣可愛的名字——實在太多了。」實際上，研究中更大的挑戰在於「體內實驗」，如果新DNA不能在生物體內穩定存在並複製，那麼這項研究的意義就會黯淡許多。
可能創造更複雜生物
那麼，科學家是如何將人工製造的鹼基組合插入到生命體中，來擴展「生命字母表」的呢？他們的辦法非常巧妙：某種藻類植物的葉綠體基因被編入大腸桿菌後，能合成特殊的轉運蛋白，可將新「零件」——人工鹼基轉入細菌體內。含有一對新鹼基的DNA順利進入大腸桿菌，當大腸桿菌成長並分裂時，新鹼基也跟著DNA一起複製。羅姆斯伯提供的數據顯示，人工鹼基至少複製了24輪，並維持了近一周時間。當人工鹼基不再供給時，大腸桿菌用天然鹼基替代了它們。這顯示新技術具有極高的安全性。即使有細菌逃逸到自然環境中，因為沒有人工鹼基，所以註定死去或用天然鹼基。
在研究中，機構研究人員介紹說，將人工合成鹼基組合植入活體生物細胞需要克服諸多困難，比如，人工鹼基對需要與天然鹼基對融合以保持DNA結構穩定。此外，DNA在自我複製及轉錄的過程中，人工鹼基組合必須能在拉鏈樣結構的DNA鏈中成功地「分分合合」，還要避免被DNA修復機制當作「外來者」而清除掉。所以，實驗必須要克服這些困難。
雖然此次研究中的人工鹼基對還不能參與製造新型蛋白質，但從理論上說，引入X－Y鹼基，新增加兩個字母，DNA就有望從4進位升格為6進位，6種鹼基意味著更多的排列組合，更龐大的胺基酸編碼庫，可將構成蛋白質的胺基酸提升到172種，而目前生物體內的蛋白質是由20種基本胺基酸構成的。
「有沒有可能添加更多的鹼基呢？」羅斯·泰爾在《自然》的評論中說，「能不能用這些新零件創造出更複雜的生物呢？」
看來，完全人造的生命或許都不再是空想。在評論的結尾處，羅斯·泰爾說，「而今的遺傳學發現了一種機制，可以誕生更加豐富的生物形態，並有可能創造更加美好的生物學未來」。
實際上，科學家對人工鹼基的研究並非只是為了興趣和對生命的理解，而是為了人類醫學藥物的發展。人工鹼基的引入可以修飾生物的DNA，利用這些生物體，可以合成自然界沒有、而人工方法又不易合成、提純的藥品。例如，開發這種人工鹼基的斯科瑞普研究所已經成立了一家公司，嘗試用這一新技術研發新的抗生素、疫苗和其他產品，儘管距離實際應用還有相當的距離，但這一小步已開啟了無限的未來。
（作者為天津廣播大學民生學院助理研究員）