地球上所有生命的遺傳信息都儲存在四種關(guān)鍵化學(xué)物質(zhì)中，即鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、腺嘌呤(A) 和胸腺嘧啶(T)?，F(xiàn)在，一些科學(xué)家正試圖擴(kuò)展這個(gè)生命密碼本。

雙螺旋晶體結(jié)構(gòu)，G（綠色）、A（紅色）、C（深藍(lán)色）、T（黃色）、B（青色）、S（粉色）、P（紫色）和Z（橙色）。來源：美國應(yīng)用分子進(jìn)化基金會

北京時(shí)間2月22日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）》雜志在線發(fā)表了最新成果。一個(gè)研究小組將四種合成核苷酸與核酸中四種天然存在的核苷酸結(jié)合起來。突破性地創(chuàng)造出具有八個(gè)字母的DNA 分子，命名為“八字（日語中的‘八’和‘字母’）DNA”。

Steven Benner，來源：應(yīng)用分子進(jìn)化基金會。

論文通訊作者為佛羅里達(dá)應(yīng)用分子進(jìn)化基金會（FfAME）項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Steven Benner。本納領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)包括來自美國不同公司和機(jī)構(gòu)的研究人員。該論文的第一作者來自應(yīng)用分子進(jìn)化基金會。星花修一和妮可·A·萊爾。

本納認(rèn)為，密碼本的擴(kuò)展版本也可以支持生命。他們的最新研究首次系統(tǒng)地證明互補(bǔ)的非天然堿基可以相互識別并結(jié)合，并且它們形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)可以保持穩(wěn)定。

這一成果備受關(guān)注和好評。 “這是一個(gè)真正的里程碑。”未參與這項(xiàng)研究的美國斯克里普斯研究所化學(xué)生物學(xué)家弗洛伊德·羅梅斯伯格表示，這項(xiàng)研究表明，地球上進(jìn)化的四種化學(xué)物質(zhì)并沒有什么特別的神奇之處?；蛘咭恍┨貏e的東西。 “這是一個(gè)概念上的突破，”他補(bǔ)充道。

通常，當(dāng)一對DNA鏈以雙螺旋的形式纏繞在一起時(shí)，每條DNA鏈上都有一對堿基：A和T，C和G，堿基依靠氫鍵相互牢固結(jié)合。一起。 RNA中存在的由鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）以及尿嘧啶（U）組成的兩對堿基，被認(rèn)為是大自然創(chuàng)造的地球上無盡生命的全部基礎(chǔ)。

長期以來，科學(xué)家們一直試圖在遺傳密碼中添加更多化學(xué)物質(zhì)。 Benner 在20 世紀(jì)80 年代首次創(chuàng)造了“非自然”基地。其他研究小組也紛紛效仿。 2014年，羅梅斯伯格的實(shí)驗(yàn)室因在活細(xì)胞中植入一對非自然堿基而引起轟動。

本納認(rèn)為理論上可能還有更多。本納計(jì)算出總共四個(gè)其他氫鍵堿基對是可能的，由八個(gè)新結(jié)構(gòu)組成。 “從本質(zhì)上講，DNA 還沒有充分利用其結(jié)構(gòu)限制，”他說。 “正因?yàn)槿绱?，DNA分子可以擴(kuò)展……你可以添加更多的字母?！?

Benner 的團(tuán)隊(duì)此前已將兩種合成核苷酸（堿基對Z 和P）整合到DNA 中，并證明它們可以在體外復(fù)制和轉(zhuǎn)錄?，F(xiàn)在，他的團(tuán)隊(duì)又增加了一對：S 和B。

研究小組認(rèn)為，這是進(jìn)化的四個(gè)要求：信息存儲、信息傳輸、可選擇的表型和規(guī)則結(jié)構(gòu)。作為一種信息存儲系統(tǒng)，DNA 必須遵循可預(yù)測的規(guī)則。該團(tuán)隊(duì)首先證明了合成堿基能夠可靠地形成對，類似于標(biāo)準(zhǔn)堿基。他們創(chuàng)造了數(shù)百個(gè)合成DNA 分子，并發(fā)現(xiàn)這些字母按預(yù)期與它們的“另一半”結(jié)合在一起。

然后他們發(fā)現(xiàn)，無論合成堿基的排列順序如何，雙螺旋都保持穩(wěn)定。這很重要，因?yàn)閷τ谏倪M(jìn)化，DNA 序列必須能夠在不破壞整個(gè)結(jié)構(gòu)的情況下發(fā)生變化。

此外，三種不同“hajimoji DNA”寡核苷酸的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)證實(shí)，不同的合成DNA序列在結(jié)晶時(shí)保持相同的結(jié)構(gòu)。

最后，該團(tuán)隊(duì)還證明了合成的DNA 可以忠實(shí)地轉(zhuǎn)錄成RNA，這是對其信息傳輸能力的測試。 “存儲信息的能力對于進(jìn)化來說并不是很有趣，”本納說。 “你必須能夠?qū)⑦@些信息轉(zhuǎn)化為分子才能做某事。”

從化學(xué)角度來說，“hajimoji DNA”的外觀和行為與標(biāo)準(zhǔn)DNA 相似。然而，負(fù)責(zé)“讀取”和“處理”核酸的酶很難被欺騙，因此為了將“hajimoji DNA”轉(zhuǎn)錄成RNA，研究小組嘗試了多種噬菌體RNA聚合酶變體，直到找到一種。能夠完成這個(gè)任務(wù)。

使用這種RNA 聚合酶，研究小組轉(zhuǎn)錄了已知RNA 適體的“hajimoji DNA”版本。這種適體被稱為“菠菜”，能夠結(jié)合并照亮特定的熒光團(tuán)。令團(tuán)隊(duì)松了口氣的是，轉(zhuǎn)錄的“hajimoji DNA”如預(yù)期般發(fā)光。

研究小組認(rèn)為，隨著遺傳構(gòu)建模塊的多樣性，科學(xué)家有可能創(chuàng)造出比標(biāo)準(zhǔn)四個(gè)字母更好的RNA或DNA序列，包括遺傳存儲之外的功能。

例如，Benner 的研究小組之前發(fā)現(xiàn)，含有Z 和P 的DNA 鏈比僅含有標(biāo)準(zhǔn)四個(gè)堿基的DNA 鏈更能與癌細(xì)胞結(jié)合。本納還成立了一家公司，將用于醫(yī)療診斷的人工DNA 商業(yè)化。

研究人員可以利用他們合成的DNA 來制造新的RNA 和蛋白質(zhì)。事實(shí)上，本納的團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了更多的堿基對，這開啟了創(chuàng)建包含十個(gè)甚至十二個(gè)字母的DNA 結(jié)構(gòu)的可能性。但羅梅斯伯格說，研究人員將基因字母表擴(kuò)展到八個(gè)這一事實(shí)本身就很了不起。 “它已經(jīng)是標(biāo)準(zhǔn)版本的兩倍長了?！?

“這是一篇非常令人興奮的論文……真正的工程壯舉。它巧妙地增加了DNA 和RNA 構(gòu)建體的數(shù)量，并極大地?cái)U(kuò)展了核酸的信息密度。”美國西北大學(xué)生物工程師邁克爾·朱厄特說。值得稱贊的是，他沒有參與這項(xiàng)研究。

“看到有人設(shè)計(jì)出這樣的系統(tǒng)真的很令人興奮，”美國里士滿大學(xué)的生物學(xué)家尤金·吳說。吳也沒有參與該項(xiàng)目。 “這提出了關(guān)于生命起源的問題，為什么這四種核苷酸會形成核酸？為什么不能是八或其他數(shù)字呢？”