美国科学家合成新碱基可体内复制 基因语言多了两个字母

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美国科学家合成新碱基可体内复制 基因语言多了两个字母

观察者网
2014-05-09 19:27:51

一夜之间，科学家彻底改变了地球的生命史。在漫长的岁月中，所有生命的遗传密码只有两对碱基组合，现在，人类合成了第三对。5月7日，权威科学杂志《自然》期刊在线发表了美国加州斯克利普斯研究所（The Scripps Research Institute ,TSRI）的这项研究。虽然这对新碱基目前仅与自然界复制系统“兼容”，还不能制造蛋白质，但这一突破打破了已有的构造规律，带给我们无尽的想象，从研制新药到创造另一种生命，一切皆有可能。

生命语言太贫乏——上帝不在乎，我们在乎

自然界的遗传语言只有4个字母，即构成DNA的4种碱基：A、T、C、G，其中A与T、C与G两两配对。此外还有一种碱基U只出现在RNA里，取代T在DNA中的角色。（RNA中有D、I等稀有碱基，但极为罕见）虽然生物丰富多彩，但一切多样性归根结底都由两对碱基承载。几十亿年来，似乎还没有什么生物对此提出“异议”，但人类显然有自己的想法。

美国科学家合成新碱基可体内复制

最迟在上世纪60年代，已经有科学家在思考，生命是否能用其他化合物存储遗传信息。但直到1989年，人类才获得实质性突破。瑞士联邦技术中心的斯蒂芬·本纳（Steven Benner）将特殊形式的C和G碱基（iso-C，iso-G）加入DNA。这些碱基被研究者称为“滑稽字母”，但结果毫不滑稽、相当振奋人心——DNA在试管中能自我复制，并能转录成RNA，合成蛋白质。

近些年来，还有不少关于“新碱基”的报道。但它们要么是不能在体内稳定复制的人工碱基，要么是在生物体内从“普通”碱基修饰而来，在严格意义上，都不是真正的“新碱基”。

这怎么能让科学家们满足呢？新研究的通讯作者、美国加州斯克利普斯研究所的化学家弗洛伊德·罗姆斯伯格（Floyd Romesberg）有更大胆的想法：制造全新的碱基。“如果英语只有四个字母，也许你有三个辅音和一个元音，也许可以写几个词，用它讲几个粗糙的故事。但如果多几个字母，你就能写更多东西，储存更多的信息，就能写更有意思的词，更大的词，更复杂的词，更微妙的词，更好的故事。”

所以他致力于添加新的字母。“倒不是说我觉得生命‘需要’更多的遗传信息，但是我认为，如果我们给生命以使用更多字母的能力，我们对它的理解会深入很多。”

“这非常激动人心。”得克萨斯奥斯汀大学的罗斯·泰尔（Ross Thyer）在《自然》上发表评论说，“从试管到活细胞是巨大的进步。”他说现在科学家可以探究一些基本问题了——比如，为什么生命只使用了这四种碱基。

科学家的“上帝之手”

拜科学家之赐，人类有望解答更多的“上帝之问”，但这一切得来不易。罗姆斯伯格介绍说，他们研究新碱基已经有15年。

他们先人工合成各种碱基类似物，然后测试产物是否能被负责复制DNA的聚合酶识别。在约300种化合物中，筛选出了60种候选者。从2008年开始，该团队试图从候选者里寻找全新的“碱基配对”，在3600种组合中，他们发现d5SICS和dNaM很有希望，将其命名为X和Y。实验证明，这对人造碱基在试管中能自我复制，而且被转录成了RNA。不过，它们的配对有些勉强，不是像普通碱基那样靠氢键绑定，而是靠疏水作用。

新合成的碱基对d5SICS - dNaM（上）与“普通”的C-G碱基对（下）

虽然使用了X和Y的代号，但是罗姆斯伯说，“这挺尴尬的，我们的名字糟透了。d5SICS和dNaM这名字只是非常复杂的化学名的简写。”罗姆斯伯解释道，因为他的实验室过去几年里探索了如此多的新碱基，“我们没法给每个都起上诸如X、Y、α或者β这样可爱的名字——实在太多了。”

更大的挑战在于“体内实验”，如果新DNA不能在生物体内稳定存在并复制，那么这项研究的意义就会黯淡许多。科学家为了在移植目标——大肠杆菌上安插“卧底”，求助于某种微藻。其叶绿体的相关基因被编入大肠杆菌后，能合成特殊的转运蛋白，可将新碱基转入细菌体内。含有一对新碱基的DNA顺利进入大肠杆菌后，科学家开始给它们喂新碱基大餐，当大肠杆菌成长并分裂时，新碱基也跟着DNA一起复制。数据显示，新碱基至少复制了24轮，并维持了近一周时间。当新碱基断粮后，大肠杆菌用天然碱基替代了它们。

这显示新技术具有极高的安全性。即使有细菌逃逸到自然环境中，因为没有新碱基食物，所以注定死去或用天然碱基。

“全靠人类自己”

科学家研究新碱基并非只是为了兴趣和对生命的理解，也是为了“悬壶济世”。从来就没有救世主，新药不会从天上掉下来。新碱基的引入可以修饰生物的DNA，再利用这些生物的“肉体”，合成自然界没有、而人工方法又不易合成、提纯的药品。

开发这种扩展字母表的斯科瑞普研究所已经成立了一家公司，尝试用这一新技术研发新的抗生素、疫苗和其他产品，虽然距离实际应用还有相当的距离，毕竟对应什么氨基酸，能否被蛋白质“翻译”系统识别，都是巨大的难题。

更强大的DNA储存器或计算机也不会凭空产生。新增加两个字母，DNA计算机就有望从4进制升格为6进制，存储能力和运算能力将得到空前提升。不过，“传说中”的DNA计算机也存在不足，读写速度慢，且稳定性很难保证。

但这一小步开启了无限的未来。“有没有可能添加更多的碱基呢？”泰尔在《自然》的评论中说，“能不能用这些新零件创造出更复杂的生物呢？”

6种碱基意味着更庞大的氨基酸编码库。天然氨基酸只有20种？那么多出的名额就给人工合成的氨基酸吧。完全人造的生命或许都不再是空想。

在评论的结尾处，泰尔说，“而今的遗传学发现了一种机制，可以诞生更加丰富的生物多样性，并有可能创造更加美好的生物学未来。”

理论上，新增加的碱基将大大扩充氨基酸编码库，从而制造更多种类的蛋白质

（综合《自然》、果壳网等）