地球上生命的 DNA 天然地將其資訊儲存在僅有的四種關鍵化學物質中——鳥嘌呤、胞嘧啶、腺嘌呤和胸腺嘧啶，通常分別稱為 G、C、A 和 T。
現在，科學家們已將生命基石的數量增加了一倍，首次創造出一種合成的、八個字母的遺傳語言，這種語言似乎像天然 DNA 一樣儲存和轉錄資訊。
在 2 月 22 日發表於《科學》雜誌上的一項研究中，由佛羅里達州阿拉楚阿應用分子進化基金會創始人史蒂文·本納領導的一個研究聯盟提出，擴大的遺傳字母表在理論上也可能支援生命。
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“這是一個真正的里程碑，”加利福尼亞州拉霍亞斯克裡普斯研究所的化學生物學家弗洛伊德·羅姆斯伯格說。羅姆斯伯格說，這項研究暗示，地球上進化的這四種化學物質並沒有什麼特別“神奇”或特別之處。“這是一個概念上的突破，”他補充道。
通常，當一對 DNA 鏈以雙螺旋結構相互纏繞時，每條鏈上的化學物質會配對：A 與 T 結合，C 與 G 結合。
長期以來，科學家們一直試圖向這種遺傳密碼中新增更多對化學物質，也稱為鹼基。例如，本納在 20 世紀 80 年代首次創造了“非天然”鹼基。其他研究小組也紛紛效仿，羅姆斯伯格的實驗室在 2014 年將一對非天然鹼基插入活細胞後成為頭條新聞。
但最新的研究首次系統地證明，互補的非天然鹼基相互識別並結合，並且它們形成的雙螺旋結構保持穩定。
本納的團隊（包括來自美國各公司和機構的研究人員）透過調整常規鹼基的分子結構創造了合成鹼基。DNA 字母配對是因為它們形成氫鍵：每個字母都包含氫原子，氫原子會吸引其夥伴中的氮原子或氧原子。本納解釋說，這有點像樂高積木，當孔和突起對齊時，它們會卡在一起。
透過調整這些孔和突起，該團隊提出了幾對新的鹼基，包括一對名為 S 和 B 的鹼基，以及另一對名為 P 和 Z 的鹼基。在最新的論文中，他們描述瞭如何將這四種合成鹼基與天然鹼基結合起來。研究人員將由此產生的八個字母的語言稱為“hachimoji”，這個詞來源於日語中“八”和“字母”的單詞。額外的鹼基在形狀上與四種天然鹼基中的一種相似，但在其結合模式上有所不同。
然後，研究人員進行了一系列實驗，表明他們的合成序列與天然 DNA 共享支援生命所必需的特性。
資料檢索
為了作為資訊儲存系統工作，DNA 必須遵循可預測的規則，因此該團隊首先證明，與常規鹼基類似，合成鹼基可靠地形成配對。他們創造了數百個合成 DNA 分子，發現這些字母可預測地與其夥伴結合。
然後他們表明，無論合成鹼基的順序如何，雙螺旋的結構都保持穩定。這很重要，因為為了讓生命進化，DNA 序列需要能夠變化而不會使整個結構崩潰。利用 X 射線衍射，該團隊表明，當結晶時，合成 DNA 的三種不同序列保持相同的結構。
英國劍橋 MRC 分子生物學實驗室的合成生物學家菲利普·霍利格說，這是一個實質性的進步，因為其他擴充套件遺傳字母表的方法在結構上不如這種方法穩固。這些其他方法不使用化學物質來利用氫鍵進行配對，而是使用疏水分子作為其鹼基。這些疏水分子可以間隔地放置在天然字母之間，但如果將它們成行放置，DNA 的結構就會崩潰。
最後，該團隊表明，合成 DNA 可以忠實地轉錄成 RNA。“對於進化而言，儲存資訊的能力並不是很有趣，”本納說。“你必須能夠將該資訊轉移到可以發揮作用的分子中。”
將 DNA 轉化為 RNA 是將遺傳資訊轉化為蛋白質（生命的勞動力）的關鍵步驟。但是，一些 RNA 序列（稱為適配體）本身可以與特定分子結合。
本納的團隊創造了編碼某種適配體的合成 DNA，然後證實發生了轉錄，並且 RNA 序列功能正常。
霍利格說，這項工作是一個令人興奮的起點，但在達到真正的八個字母的合成遺傳系統之前，還有很長的路要走。例如，一個關鍵問題是，合成 DNA 是否可以被聚合酶複製，聚合酶是細胞分裂期間負責在生物體內合成 DNA 的酶。對於其他方法（如羅姆斯伯格的方法，該方法使用疏水鹼基）已經證明了這一點。
生命的多樣性
儘管如此，本納說，這項工作表明，生命可能可以由具有與我們已知的四種不同的結構的 DNA 鹼基來支援，這可能與在宇宙其他地方尋找生命跡象有關。
向 DNA 新增字母也可能具有更實際的應用。
由於遺傳構件的多樣性增加，科學家們有可能創造出比標準四個字母更能勝任的 RNA 或 DNA 序列，包括超出遺傳儲存的功能。
例如，本納的研究小組之前表明，包含 Z 和 P 的 DNA 鏈比僅包含標準四個鹼基的序列更能與癌細胞結合。本納成立了一家公司，該公司將合成 DNA 商業化，用於醫療診斷。
研究人員有可能使用他們的合成 DNA 來創造新的蛋白質以及 RNA。本納的團隊還開發了更多對新鹼基，從而為建立包含 10 個甚至 12 個字母的 DNA 結構開闢了可能性。但羅姆斯伯格說，研究人員已經將遺傳字母表擴充套件到八個字母這一事實本身就非常了不起。“它已經使自然界擁有的東西增加了一倍。”
本文經許可轉載，並於 首次發表 於 2019 年 2 月 21 日。