數十億年來，生命的演化歷史僅由四個字母書寫——A、T、C 和 G，它們是所有生物體中包含的 DNA 亞基的標籤。研究人員宣佈，這個字母表剛剛變得更長了，他們創造了一種活細胞，其基因組中含有兩個“外來”DNA 構建模組。
這項工作被其他科學家譽為一項突破，是朝著合成能夠大量生產藥物和其他有用分子的細胞邁出的一步。它也提出了這樣一種可能性，即有朝一日可以改造細胞，使其不使用地球上所有生物使用的四個 DNA 鹼基中的任何一個。
“我們現在擁有的是一個真正儲存了更多遺傳資訊的活細胞，”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·羅梅斯伯格說，他領導了這項為期15年的工作。他們的研究今天線上發表在《自然》雜誌上。
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DNA雙螺旋的每一條鏈都有一個糖分子骨架，並且附著在糖分子上的是被稱為鹼基的化學亞基。有四種不同的鹼基：腺嘌呤 (A)、胸腺嘧啶 (T)、胞嘧啶 (C) 和鳥嘌呤 (G)。這些字母代表構成蛋白質的氨基酸構建模組的程式碼。鹼基將兩條 DNA 鏈結合在一起，其中 A 始終與相對鏈上的 T 結合（反之亦然），C 和 G 也同樣如此。
試管中的字母
科學家們在 20 世紀 60 年代首次質疑生命是否可以使用其他化學基團儲存資訊。但直到 1989 年，時任瑞士蘇黎世聯邦理工學院的 Steven Benner 及其團隊才成功誘導胞嘧啶和鳥嘌呤的修飾形式進入 DNA 分子。在試管反應中，由這些“奇怪字母”（正如 Benner 所稱）組成的鏈複製了自身，並編碼了 RNA 和蛋白質。
Benner 說，Romesberg 團隊設計的鹼基更加外來，與四個天然鹼基幾乎沒有化學相似之處。在 2008 年的一篇論文和後續實驗中，該小組報告了從 60 個候選物列表中將化學物質配對在一起，並篩選 3,600 種結果組合的努力。他們確定了一對鹼基，稱為 d5SICS 和 dNaM，它們看起來很有希望。特別是，這些分子必須與複製和翻譯 DNA 的酶促機制相容。
“我們當時甚至沒有想到我們可以用這對鹼基進入生物體，”Romesberg 實驗室的前研究生、新論文的第一作者 Denis Malyshev 說。透過試管反應，科學家們成功地使他們的非天然鹼基對複製自身並轉錄為 RNA，這需要鹼基被已經進化為使用 A、T、C 和 G 的酶識別。
創造這種外星生命的首要挑戰是讓細胞接受外來鹼基，這些鹼基對於在 DNA 中透過重複的細胞分裂（在此期間複製 DNA）保持分子是必需的。該團隊改造了 *大腸桿菌*，使其表達來自矽藻（一種單細胞藻類）的基因，該基因編碼一種蛋白質，該蛋白質允許分子穿過細菌的膜。
然後，科學家們創造了一個短的 DNA 環，稱為質粒，其中包含一對外來鹼基，並將整個質粒插入 *大腸桿菌* 細胞中。在矽藻蛋白質提供外來核苷酸的情況下，質粒被複制並傳遞給分裂的 *大腸桿菌* 細胞將近一週。當外來核苷酸的供應耗盡時，細菌用天然鹼基替換了外來鹼基。
外星控制
Malyshev 將控制外來 DNA 鹼基吸收的能力視為一種安全措施，可以防止外星細胞在逃離實驗室後存活下來。但是其他研究人員，包括 Benner，正在嘗試改造可以從頭開始製造外來鹼基的細胞，從而無需原料。
Romesberg 的小組正在努力使外來 DNA 編碼含有除組成幾乎所有天然蛋白質的 20 種氨基酸以外的其他氨基酸的蛋白質。氨基酸由三個 DNA 字母組成的“密碼子”編碼，因此僅僅新增兩個外來 DNA“字母”將大大擴充套件細胞編碼新氨基酸的能力。“如果你讀一本用四個字母寫的書，你將無法講述許多有趣的故事，”羅梅斯伯格說。“如果你被賦予更多的字母，你可以發明新詞，你可以找到使用這些詞的新方法，你也許可以講述更多有趣的故事。”
該技術的潛在用途包括將有毒氨基酸摻入蛋白質中，以確保它僅殺死癌細胞，以及開發發光氨基酸，這些氨基酸可以幫助科學家在顯微鏡下追蹤生物反應。羅梅斯伯格的團隊在加利福尼亞州聖地亞哥成立了一家名為 Synthorx 的公司，以將這項工作商業化。
德克薩斯大學奧斯汀分校的合成生物學家 Ross Thyer 是相關新聞和觀點文章的合著者，他說這項工作是“我們所能做的事情的一大飛躍”。他說，應該有可能使外來 DNA 編碼新的氨基酸。
“更廣泛的社群中的許多人認為弗洛伊德的結果是不可能的，”Benner 說，因為涉及 DNA 的化學反應（例如複製）需要非常敏感，以避免突變。
外星 *大腸桿菌* 僅包含數百萬個外來 DNA 鹼基中的一對。但是 Benner 認為沒有理由認為完全外星的細胞是不可能的。“我不認為有任何限制，”他說。“如果你回去重新執行四十億年的進化，你可能會得到一個不同的遺傳系統。”
但是，建立一個完全合成的生物體將是一個巨大的挑戰。“很多人會說你會用你的非天然 DNA 完全製造一個生物體，”羅梅斯伯格說。“這根本不會發生，因為有太多東西可以識別 DNA。它太融入細胞生命的每一個方面了。”
本文經《自然》雜誌許可轉載。該文章於2014 年 5 月 7 日首次發表。