發(fā)布日期：2017-11-30

除了ATCG能存儲遺傳信息外，還有其他的遺傳密碼嗎？圖片來自synthorx.com

在生命科學(xué)高強度滲透以及多方位的普及下，很少人不知道基因、DNA是什么。基因是DNA鏈上一段可編碼蛋白的堿基序列，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。

地球上物種豐富多樣，形態(tài)各異，忠實地記錄著由4種核苷酸（ATCG）組成的遺傳信息。除了這四種堿基之外，有沒有其他的可存儲生命遺傳信息的物質(zhì)？對于這個問題，早在上世紀(jì)60年代，就有科學(xué)家感興趣，并猜想遺傳信息的存儲，是否會更加豐富多樣。

直到最近幾年才有一些重要進展開始出現(xiàn)。

新發(fā)現(xiàn)的兩種堿基與自然狀態(tài)下的A-T比較，圖片來自nature

2014年，斯克利普斯研究所化學(xué)系教授Floyd Eric Romesberg與其團隊成員在試管中發(fā)現(xiàn)了一種新的堿基復(fù)制方式。通過在大腸桿菌的基因序列中植入兩個新堿基dNaM–dTPT3，可形成半人工合成生命。近年來，圍繞著人造堿基方面的工作，他和同事發(fā)表了一系列重要的工作。

11月30日，Romesberg及其團隊又有了新的重要發(fā)現(xiàn)，他們發(fā)現(xiàn)非自然狀態(tài)下的堿基能夠植入大腸桿菌的基因組中，產(chǎn)生半人工生命體，其可以通過轉(zhuǎn)錄、翻譯非自然狀態(tài)下的氨基酸，合成蛋白質(zhì)的效率和天然核苷酸并無差距。相關(guān)研究發(fā)表在最新一期的Nature雜志上。

在核糖體上非自然狀態(tài)下的基因編碼，表達出非標(biāo)準(zhǔn)的氨基酸，圖片來自scripps.edu

“人造堿基的研究發(fā)展至今已有近 30 年的歷史，它又被稱為非天然堿基對或人工擴展堿基字母，是一種通過對堿基的改造，人工設(shè)計合成的可以行使或模擬天然核酸功能、而又具有相對獨立性的人造 DNA 。”中國科學(xué)院北京基因組研究所“百人計劃”學(xué)者陳非對該研究做了解讀。

陳非研究員表示，“2014年，Romesberg研究小組成功構(gòu)建了包含一對人造堿基（dNaM–dTPT3）的人工合成細(xì)菌，首次成功實現(xiàn)人造堿基對的體內(nèi)復(fù)制，這一里程碑式的工作發(fā)表于Nature上，并被Science雜志列為當(dāng)年十大科學(xué)突破之一。本研究在上述研究的基礎(chǔ)上更進一步，Romesberg研究小組借助人工合成的反密碼子GYT（Y為非天然核苷酸TPT3）的 tRNA 的幫助，成功實現(xiàn)了非天然堿基X（dNaM）的體內(nèi)翻譯。本研究以綠色熒光蛋白為非天然堿基體內(nèi)翻譯的報告基因，在其151位氨基酸密碼子中摻入了一個人工堿基X（AXC），合成并使用了3種人工合成的包含人工堿基反密碼子的tRNA（分別源于E.coli, Methanosarcina mazei, Methanococcus jannaschii的tRNA序列），均實現(xiàn)了人工堿基的高效內(nèi)源表達，且不影響細(xì)菌的正常生長。”

目前，陳非研究員正從事合成生命遺傳系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)建、重大疾病基因組學(xué)及相關(guān)核酸分子精準(zhǔn)檢測、診斷技術(shù)等方面的研究，他曾師從現(xiàn)代合成生物學(xué)聯(lián)合創(chuàng)始人Steven A Benner教授。

半人工合成大腸桿菌敲入一個非自然狀態(tài)的遺傳密碼，表達出綠色熒光蛋白，圖片來自scripps.edu

Romesberg認(rèn)為，半合成生命體能夠儲存、復(fù)制非自然狀態(tài)下的遺傳信息，未來可被用來創(chuàng)造新的新的蛋白質(zhì)，新的材料，甚至新的治療方法。對于藥物的開發(fā)以及其他有用的分子來說，半合成人工生命體同樣也會有幫助。

也許有人會擔(dān)憂，未來可能會造出完全不由ATCG組成的、由其他遺傳密碼組成的人工生命體。Romesberg強調(diào)，目前這項研究僅在單細(xì)胞（如大腸桿菌）等低等生物中進行實驗，僅用它們來存儲遺傳信息。

對于這項研究，陳非給予了高度評價，“這無疑是人工合成生命領(lǐng)域的一次革命性的突破，它的成功打通了人造堿基的體內(nèi)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯生命中心法則的主要環(huán)節(jié)，為構(gòu)建穩(wěn)定遺傳的人工合成生命遺傳系統(tǒng)翻開了新的一頁。這既是‘生命工程化’的一次有益的嘗試，也是‘從頭合成生命系統(tǒng)’領(lǐng)域的一次革命，對化學(xué)合成生物學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展也會起到極大的推動促進作用，并可能為合成生物學(xué)開辟出一條新的、更安全的別樣健康發(fā)展之路。”

這項研究的第一作者和Romesberg，圖片來自scripps.edu

Romesberg教授曾在TED演講：Expanding the genetic alphabet。

值得一提的是，Romesberg于2016年由河南師范大學(xué)推選，入選有機化學(xué)學(xué)科的“長江學(xué)者獎勵計劃”講座教授名單，并成為該校首位入選“長江學(xué)者獎勵計劃”的專家。

參考資料

Zhang Y. et al. A semi-synthetic organism that stores and retrieves increased genetic information. 2017. Nature. doi:10.1038/nature24659.

來源：知識分子