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新一轮生物大爆发?人造DNA字母诞生 或可治癌症还能找外星人

2019-02-23  成靖

新一轮生物大爆发?人造DNA字母诞生 或可治癌症还能找外星人

地球上所有生命的遗传信息,已知的都是储存DNA的4种关键化学物质——鸟嘌呤(guanine)、胞嘧啶(guanine)、腺嘌呤(adenine)和胸腺嘧啶(thymine)——中,为了方便,科学家通常取其首字母,也就是我们常常在相关文章中看到的G、C、A、T,这4种物质数量复杂地排列组合,形成了地球上丰富多彩的生物种群。

不过,从今天开始,地球生命的多样性和复杂性也许要更上一层楼。科学家们首次创造了一种人工合成的、由8种化学物质组成的遗传语言,更重要的是,它和之前的DNA一样,都能正常存储和转录信息。

在《科学》杂志上,一篇2月22日发表的文章显示,以美国阿拉楚瓦应用分子进化基金会的创始人班纳(Steven Benner)为首的研究小组证明了他们之前的理论,即扩展的基因字母表同样可以构成生命。

这有什么意义呢?

斯克里普斯研究所化学生物学家罗默斯伯格(Floyd Romesberg)回答道:“这项研究证明,地球生命进化出的这4种化学物质,其实并没有什么特别的“魔力”或特殊之处。这是概念上的突破。”

“这是一座真正的里程碑!”

介绍一下,根据千百年来总结出的知识体系,人们普遍认为,当一对DNA链以双螺旋的形式缠绕在一起时,每条DNA链上的化学物质成对分布——A和T成键,C和G成键——构成碱基对。

伴随着基因科学的进步,数十年来,相关领域的一个热点方向,就是在遗传“密码”中加入更多的碱基。例如,本次研究的领导人班纳,也是在上世纪80年代首次创造了“非自然”碱基的人;罗默斯伯格实验室在活体细胞中植入一对非自然的碱基,也成为2014年医学界的头条新闻。

这次研究再进一步,系统性地证明了,非自然碱基也能自然互补,相互识别和结合,并最终形成稳定的双螺旋结构。

其实这是很合理的,DNA字母之所以能够配对,要归功于它们的氢键:每一个字母都包含氢原子,氢原子被相对应的氮或氧原子所吸引。直观地说,你可以将它看成乐高积木,当积木的凸粒嵌入另一块积木的凹槽时,2块积木就能稳定结合。

因此,理论上说,只要用不同的凸粒嵌入不同的凹槽,就能产生组成DNA的新化学物质,事实也确实如此。研究小组将本次研究发现的4种新化学物质分别命名为S、B、P、Z,然后给8种化学物质取了新的统称“hachimoji”,翻译成日语就是“8个字母”的意思。

这些新碱基在形状上其实与4种天然碱基相似,区别在于结合模式的不同。在新发表的研究报告中,研究团队叙述了将这4种合成碱基与天然碱基结合的方法,这里不一一说明,只介绍一下相关过程。

作为一个信息存储系统,DNA必须遵循可预测的规则。因此该团队必须首先证明,合成碱基要和普通碱基一样,可以有规律地稳定结对。为此,他们创造了数百个合成DNA分子,发现这些字母确实可以根据一定规律结合在一起。

紧接着,他们发现,无论合成碱基的排列顺序如何,双螺旋结构都保持稳定。这一点非常重要,因为生命要稳定进化,就必须保证DNA序列在不破坏整个结构的情况下进行调整。研究小组利用x射线衍射,发现有3种不同的合成DNA序列可以在结晶时保持结构不变。

英国合成生物学家霍利格(Philipp Holliger)称,相较于之前扩展DNA字母的方法,这项研究取得了重大的进步。早前,科学家大多是利用疏水分子合成新的碱基。但是,这些字母虽然可以间隔放置在自然字母之间,但是没办法让它们排列在一起,DNA结构会自然分解。

最后,研究小组证明,合成的DNA可以如常转录成RNA,这是将遗传信息转化为蛋白质的关键步骤,而蛋白质是生命的支柱。“存储信息能力不是生物基因进化的全部,”班纳称,“要形成生物,你还要把这些信息转化成分子。”

班纳表示,这项工作表明,尽管地球上的生物DNA都是基于已知4种碱基,但生命是有可能通过其他碱基产生的。也就是说,人类可能可以用新的标准,在宇宙之间寻找生命特征。

在其他方面,寻找新的DNA字母也可以起到实际作用。

比如,随着基因构建块的多样化,科学家们有可能创造出比4个标准字母更好的RNA或DNA序列,甚至让基因具备存储信息以外的更多功能。班纳团队先前就发现了,包含Z和P的DNA链条在与癌细胞结合方面比传统DNA更好。根据这一结论,班纳还成立了一家公司,专门研究将人造DNA商业化用于医学诊断。

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