儘管地球上的生命有著壯麗的多樣性，從微小的細菌到雄偉的藍鯨，從採集陽光的植物到消化礦物質的地下微生物，但“我們所知的生命”只有一種。所有這些生物都基於核酸——DNA和RNA——以及蛋白質，它們或多或少按照所謂的分子生物學中心法則協同工作：DNA儲存資訊，資訊轉錄為RNA，然後RNA作為模板產生蛋白質。反過來，蛋白質作為組織中重要的結構元素，並作為酶，是細胞的“主力軍”。
然而，科學家們夢想合成一種與這個世界完全不同的生命——既為了更好地理解生命所需的最低限度成分（作為揭示生命的本質以及生命如何在地球上起源的探索的一部分），坦率地說，也是為了看看他們是否能做到。也就是說，他們希望組合一種新的分子組合，這種組合可以自組織、代謝（利用能量來源）、生長、繁殖和進化。
一些研究人員為了實現這一願景而研究的一種分子是肽核酸 (PNA)，它模仿 DNA 和 RNA 的資訊儲存功能，但建立在蛋白質樣骨架之上，該骨架比它們的糖-磷酸骨架更簡單、更堅固。我的團隊在 15 年前開發了 PNA，當時的專案目標比創造前所未有的生命形式更直接有用。我們試圖設計透過作用於構成特定基因的 DNA 來發揮作用的藥物，以阻止或增強基因的表達（其編碼蛋白質的產生）。這種藥物在概念上與“反義”化合物相似，例如短 DNA 或 RNA 鏈，它們與特定的 RNA 序列結合，干擾疾病相關蛋白質的產生 [參見 Gary Stix 的“關閉基因開關”；《大眾科學》，2004 年 10 月]。
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PNA 獨特的特性使其在反義 DNA 和 RNA 方面具有多項潛在優勢，包括更靈活地與 DNA 以及 RNA 結合，與其靶標結合更牢固，以及在富含酶的細胞環境中具有更高的化學穩定性。許多研究表明 PNA 適用於修飾基因表達，主要是在分子試管實驗和細胞培養物中。動物研究已經開始，將 PNA 轉化為可以從血液中輕易進入人體細胞的藥物的研究也已開始。
除了促進令人興奮的醫學研究外，這些神奇的分子還激發了與地球生命起源相關的推測。一些科學家提出，PNA 或非常相似的分子可能在蛋白質、DNA 和 RNA 進化之前，就已構成早期生命的基礎。或許人工生命研究人員不是在創造新的生命，而是在重新創造我們最早的祖先。
進入凹槽
PNA 的發現故事始於 1990 年代初期。為了開發比反義 RNA 具有更廣泛功能的藥物，我的同事 Michael Egholm、Rolf H. Berg 和 Ole Buchardt 以及我想開發能夠識別具有特定鹼基序列的雙鏈或雙螺旋 DNA 的小分子——這不是一件容易的任務。困難與熟悉的 DNA 雙螺旋結構有關。
是鹼基——胸腺嘧啶 (T)、腺嘌呤 (A)、胞嘧啶 (C) 和鳥嘌呤 (G)——儲存了 DNA 中的資訊。（在 RNA 中，胸腺嘧啶被非常相似的分子尿嘧啶或 U 取代。）透過氫鍵連線的這些鹼基對構成了熟悉的 DNA“梯子”的“梯級”。C 與 G 結合，A 與 T 結合，這被稱為沃森-克里克鹼基配對。因此，與具有特徵鹼基序列的雙螺旋 DNA 片段結合的化合物將是對含有該特定鹼基序列的任何基因起作用的化合物。
如果化合物必須在單鏈 DNA 或 RNA 上找到特定的鹼基序列，則識別任務相對容易。如果兩個核酸鏈具有互補序列，則標準鹼基配對可以將兩條鏈拉到一起。因此，如果人們知道基因的序列——例如，來自人類基因組計劃的資料——產生一種分子來鎖定單鏈基因的一部分，就像合成互補序列一樣簡單。
然而，在雙螺旋 DNA 中，識別序列的任務更具挑戰性，因為負責沃森-克里克配對的原子已經參與了連線兩條鏈的氫鍵，因此無法與其他分子連線。然而，細胞包含許多所謂的基因調控蛋白，它們識別雙螺旋 DNA 中的序列，以執行控制基因表達的功能。因此，這項壯舉是可以完成的。如果我的團隊能夠找到能夠完成這項任務的分子，那麼這些分子可能可以作為基因調控藥物。
基因表達分兩個階段進行。首先，在轉錄中，一種酶構建信使 RNA (mRNA)，這是一種 RNA 鏈，其中包含 DNA 螺旋中一條鏈的鹼基序列的副本。一種稱為核糖體的分子機器（本身由 RNA 和蛋白質組成）執行第二階段，將 mRNA 翻譯成基因編碼的蛋白質。反義劑透過與 mRNA 結合來干擾翻譯。這些化合物通常是小的、化學修飾的 RNA 或 DNA 分子，其設計具有適當的序列，可以透過沃森-克里克鹼基配對來識別其 mRNA 靶標。透過與 mRNA 結合，該試劑可能會觸發酶降解 RNA，或者可能只是物理干擾 mRNA 的功能。
細胞利用稱為轉錄因子的蛋白質來識別雙鏈 DNA 中的特定序列，從而在轉錄階段控制基因表達。這些蛋白質可以透過阻礙 RNA 聚合酶來抑制基因，否則 RNA 聚合酶會將 DNA 序列轉錄為 mRNA，或者它們可以透過幫助 RNA 聚合酶附著到 DNA 並開始轉錄來啟用基因。
儘管這些蛋白質提供了一種能夠從螺旋外部“讀取”DNA 序列的分子模型，但在 1990 年代，生物化學家尚無法從序列開始並設計一種新的蛋白質來識別它。基因調控蛋白透過在其表面具有正確的整體形狀和化學成分來識別其 DNA 序列，從而與 DNA 的所謂大溝中的序列結合，從而可以訪問沿著雙螺旋中心執行的鹼基對。但是蛋白質活性表面的結構取決於其氨基酸鏈的摺疊方式，研究人員無法準確地模擬這個過程。
自那時以來，透過借鑑包含鋅指結構域的基因調控蛋白，已經取得了一些進展。鋅指結構域是大約 30 個氨基酸的長度，它們圍繞鋅離子摺疊，形成特徵性的“手指”結構，可以容納在大溝中，並排列一些氨基酸與 DNA 的鹼基對齊。研究人員已經開發出具有鋅指的人工蛋白質，但總的來說，即使對於相對較短的 DNA 序列，仍然難以程式設計氨基酸序列來匹配。
早在 1957 年，即 DNA 雙螺旋發現僅四年後的一項發現，提供了另一種方法。那一年，當時都在國家精神健康研究所的加里·費爾森菲爾德、亞歷山大·裡奇和大衛·戴維斯建立了三重螺旋結構，其中核酸鏈自身附著在雙螺旋核酸分子的大溝中。額外的鏈利用了 T-A 和 C-G 鹼基對的一種不同型別的鍵合，稱為 Hoogsteen 配對，以 Karst Hoogsteen 的名字命名。因此，沿三螺旋的每個位置都有一個鹼基三聯體，其中 T 與 T-A 對結合（T-A=T，其中“=”表示 Hoogsteen 配對），或者 C 與 C-G 單元結合（C-G=C）。然而，這種結構只能在額外的鏈是同嘧啶時形成——完全由 C 和 T（或 RNA 中的 U）組成——因為每個 Hoogsteen 對都需要雙螺旋鏈上的 G 或 A。
1987 年，當時在巴黎國家自然歷史博物館的已故克勞德·海倫和加州理工學院的彼得·B·德爾文各自獨立地證明，三重螺旋結構確實可以被利用來設計寡核苷酸（約 15 個核苷酸長的 DNA 鏈），這些寡核苷酸可以讀取雙鏈 DNA 中的序列並結合其 Hoogsteen 互補靶標。
令人驚訝的入侵
受到透過溝槽結合、形成三重螺旋的寡核苷酸對 DNA 雙螺旋進行數字讀出的啟發，我的團隊開始合成一種分子，該分子可以用更少的限制來完成相同的技巧。特別是，我們希望找到不限於識別完全由 G 和 A 組成的序列的分子。我們還希望我們的分子是中性的。核酸的骨架包含磷酸基團，這些磷酸基團在溶液中帶負電荷。第三條鏈上這些負電荷引起的排斥力削弱了第三條鏈與三螺旋的結合。
因此，我們決定將設計基於醯胺化學，涉及與蛋白質中連線氨基酸的鍵相同型別的鍵。使用醯胺鍵或肽鍵的成熟技術可以方便地合成高度穩定、中性的分子。我們提出的肽核酸分子具有肽樣骨架，該骨架由比 DNA 和 RNA 的糖和磷酸更簡單的重複單元製成。每個單元可能都連線有標準核酸鹼基（T、A、C 或 G），或已針對特殊目的修飾的鹼基。PNA 沿線的鹼基間距非常接近 DNA 和 RNA 的鹼基間距，這使得短 PNA 鏈或 PNA 寡聚體能夠與 DNA 和 RNA 鏈以及另一個 PNA 鍊形成非常穩定的雙螺旋結構。鹼基透過標準的沃森-克里克鍵合連線在一起。
當我們嘗試用同嘧啶 PNA 靶向雙螺旋 DNA 時，令我們驚訝的是，PNA 沒有像計劃的那樣在大溝中結合。相反，一條 PNA 鏈侵入了螺旋，取代了一條 DNA 鏈，與它的互補鍊形成沃森-克里克鍵，而第二條 PNA 鍊形成 Hoogsteen 鍵，形成 PNA-DNA=PNA 三螺旋。被取代的 DNA 長度形成了一個稱為 P-環的單鏈結構，與三螺旋並排。
這種三螺旋入侵結合模式具有幾個非常有趣的生物學後果，因為三螺旋具有很高的穩定性，而 P-環會影響諸如轉錄、DNA 複製和基因修復等中心生物學過程。例如，P-環結構可以啟動 DNA 的 RNA 轉錄。此外，單鏈環可以用於診斷遺傳疾病等應用：樣品中的 DNA 必須首先擴增（複製大量次數），而環可以作為複製過程的特定附著點。
其他結合模式也會發生，具體取決於靶標 DNA 序列以及我們如何修飾 PNA 的鹼基。其中，雙螺旋入侵特別有趣。在這種模式下，我們製備兩個假互補 PNA 寡聚體——也就是說，它們的鹼基經過充分修飾以防止形成 PNA-PNA 雙螺旋，但修飾程度不足以破壞它們各自與普通互補 DNA 鏈的結合。因此，PNA 侵入雙鏈 DNA 並形成兩個 PNA-DNA 雙螺旋。與三螺旋形成不同，三螺旋形成需要在靶標 DNA 中有很長的嘌呤（A 和 G）延伸段，而雙螺旋入侵結合模式的序列要求較低：使用當前技術，靶標序列必須包含至少 50% 的 A-T 鹼基對。即使發現合適的 G 和 C 鹼基修飾形式，這種約束也會放寬。
PNA 以這些方式與互補 RNA 或 DNA 分子結合，其特異性和親和力甚至高於天然 DNA 所表現出的特異性和親和力。因此，附著有熒光基團的 PNA 寡聚體作為探針在診斷測試中檢測特定基因具有吸引力。例如，所謂的熒光原位雜交分析突出了染色體上存在特定序列的位置。
藥物前景
細胞培養物以及體外溶液中的許多研究已經證明了使用 PNA 寡聚體透過以各種方式與 DNA 結合來抑制或啟用特定基因的轉錄、複製或修復的概念驗證。研究人員還報告了大量實驗，表明 PNA 寡聚體可以在某種程度上發揮反義 RNA 干擾的作用，在翻譯階段抑制基因表達，無論是在細胞培養物中還是在少數小鼠研究中。PNA 透過物理阻斷涉及 RNA 的關鍵過程來實現這些效果。相比之下，用於 RNA 干擾的 DNA 或 RNA 寡聚體在細胞中酶的幫助下，會分解形成的 RNA-DNA 或 RNA-RNA 雙螺旋。RNA-PNA 結構不太可能獲得這種幫助，因為酶無法識別這種外來結構，儘管到目前為止，研究人員僅針對相關酶之一研究了這個問題。然而，PNA 寡聚體的外來性質也使其在生物環境中非常穩定——分解其他肽的酶無法識別它們，因此 PNA 有更多時間遇到匹配的 RNA 並使其失效。
在某些情況下，阻斷 RNA 過程可以恢復健康的蛋白質。牛津大學的馬修·伍德和他的同事在 2007 年證明，PNA 可以利用這種效應。當他們將 PNA 注射到患有肌營養不良症的小鼠體內時，注射的肌肉顯示肌營養不良蛋白的水平升高，肌營養不良蛋白的缺失會導致肌營養不良症。PNA 阻止了肌營養不良蛋白基因中的不良片段從 RNA 翻譯成蛋白質，從而消除了該片段中存在的使人衰弱的突變，同時保留了足夠多的肌營養不良蛋白以發揮作用。
PNA 寡聚體和傳統核酸具有共同的生物利用度差的問題，因為它們是大的且主要親水性（喜水）分子，這使得它們難以進入細胞，而細胞壁是由疏水性脂膜製成的。儘管 PNA 具有很高的穩定性，但它們在動物體內停留的時間不長，由於其親水性，很快就會透過尿液排出。例如，小鼠體內一半的 PNA 在不到半小時內就會消失。因此，基於 PNA 的藥物的出現有待於開發合適的化學修飾或藥物製劑（即與其他物質的混合物），以提高 PNA 的生物利用度。事實上，總體而言，基因藥物研究的主要重點是克服體內細胞遞送問題的工作。研究人員認為，這個障礙是阻礙該領域醫學突破的最後一個障礙。
合成生命
透過橋接核酸和蛋白質領域，PNA 可能既可以作為資訊儲存庫（如 DNA），又可以作為合成細胞的催化機制（如天然細胞中許多基於蛋白質的酶）。正是這種潛在的雙重能力，以及 PNA 的其他特性，吸引了尋求創造合成生命的科學家的興趣。
然而，在許多方面，RNA 在這場遊戲中領先於 PNA。天然和合成的催化 RNA 例子比比皆是。相比之下，催化 PNA 分子仍有待發現。然而，就像蛋白質和 RNA 一樣，PNA 寡聚體確實會摺疊成各種形狀（所謂的二級和三級結構），這些形狀是執行催化的關鍵，所以我
相信開發出 PNA 主題的催化變體只是時間問題。
透過組裝分子集合從頭開始創造生命的最先進方法，旨在識別催化自身合成的自複製 RNA 分子。原則上，這些方案中的 RNA 分子可以用 PNA 或非常相似的合成分子代替。已經發現了使用短寡核苷酸的自催化複製系統，以及自複製短肽。因此，應該有可能開發出類似的自複製 PNA 系統。基於 PNA 的自複製系統將具有化學穩定的肽鍵的優勢，以及鹼基序列識別的多功能性和特異性。
然而，遺傳複製系統只是生命的一個組成部分，儘管是核心組成部分。生命的本質是一個化學反應網路，它以相對穩定但又不在平衡狀態的狀態下執行，並且對輸入和輸出都是開放的 [參見羅伯特·夏皮羅的“生命起源更簡單”；《大眾科學》，2007 年 6 月]。因此，一個主要的挑戰是將自複製分子納入更大的系統中，該系統執行其他催化活性並具有代謝迴圈，並將該系統與物理區室（如脂質囊泡）整合，形成一些研究人員稱之為“原細胞”的東西。
洛斯阿拉莫斯國家實驗室的斯蒂恩·拉斯穆森和阿貢國家實驗室的陳遼海提出了基於 PNA 的原始原細胞設計。原細胞容器由表面活性劑分子（具有親水性或喜水性頭部的脂鏈）自組裝而成。PNA 的骨架經過修飾以具有親脂性或喜油性，因此 PNA 會嵌入原細胞的表面。短 PNA 片段與原細胞的 PNA 配對，形成具有互補序列的第二條鏈。光敏分子為更多表面活性劑分子的產生提供動力，從而增加原細胞的大小。當它長到足夠大時，原細胞變得不穩定並自然裂變。然而，這個提議具有高度的推測性，並且仍然存在化學家尚未解決的一個基本問題——雙鏈 PNA 的穩定性極大地抑制了它分離成兩個子鏈。在研究人員開發出穩健的人工細胞之前，還有很長的曲折道路要走。
生命的起源？
在實驗室中從頭開始創造生命的這些努力的一個主要目標是更好地瞭解生命如何在地球上開始。考慮到當代生命形式的詳細微生物學，似乎非常清楚 RNA 可能比 DNA 和蛋白質更原始，並且對生命更重要。這種分子可以同時攜帶生物體的基因型（遺傳序列資訊）和表型（催化功能）。由於這個原因以及其他證據，許多科學家現在接受了我們的 DNA/RNA/蛋白質世界之前存在 RNA 世界的想法 [參見萊斯利·E·奧格爾的“地球生命的起源”；《大眾科學》，1994 年 10 月]。
然而，原始的益生元條件如何產生 RNA 分子，特別是 RNA 骨架中的糖核糖，仍然非常不清楚。此外，即使產生了 RNA 分子，RNA 非常差的化學穩定性也幾乎不允許這些分子在不受保護的情況下存活足夠長的時間，以在生命的初始化學進化中發揮核心作用。因此，像 PNA 這樣的分子似乎非常有吸引力，可以作為 RNA 前世界的候選者：它非常穩定且化學性質簡單，並且攜帶序列資訊。
2000 年，斯坦利·L·米勒因其 50 多年前開創性的實驗而聞名，該實驗表明氨基酸可以在被認為模擬原始地球的條件下形成，他在類似的實驗中發現了 PNA 的前體。研究人員還表明，PNA 寡聚體中的序列資訊可以透過“化學複製”轉移到另一個 PNA 寡聚體或 RNA 分子——PNA 世界以及隨後的過渡性 PNA/RNA 世界所需的過程。誠然，從這些稀少的觀察結果到為基於 PNA 或某些非常相似分子的 RNA 前世界建立強有力的案例，還有很長的路要走，並且為了使該假設站得住腳，科學家必須發現具有催化活性的 PNA 分子。
在 PNA 發現 15 年後，關於 PNA 仍有很多東西需要學習：催化 PNA 分子是否可能存在？將治療性 PNA 遞送到細胞中的良好系統是什麼？可以在實驗室中創造出完全不同的、基於 PNA 的生命形式嗎？我相信這些問題和許多其他問題將在未來 15 年內得到很好的解答。
注意：本文最初印刷時的標題為“一種新的生命分子？”。