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六个遗传密码的人造生命体,翻开合成生命新篇章

 
撰文 | 叶水送
责编 | 陈晓雪
 
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在生命科学高强度渗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链上一段可编码蛋白的碱基序列,由A(腺嘌呤)、T(胸腺嘧啶)、C(胞嘧啶)和G(鸟嘌呤)四种密码子组成,其中A与T配对,C与G配对,形成一条长长的遗传密码片段。
 
地球上物种丰富多样,形态各异,忠实地记录着由4种核苷酸(ATCG)组成的遗传信息。除了这四种碱基之外,有没有其他的可存储生命遗传信息的物质?对于这个问题,早在上世纪60年代,就有科学家感兴趣,并猜想遗传信息的存储,是否会更加丰富多样。
 
直到最近几年才有一些重要进展开始出现。
 
2014年,斯克利普斯研究所化学系教授Floyd Eric Romesberg与其团队成员在试管中发现了一种新的碱基复制方式。通过在大肠杆菌的基因序列中植入两个新碱基dNaM–dTPT3,可形成半人工合成生命。近年来,围绕着人造碱基方面的工作,他和同事发表了一系列重要的工作。
 
11月30日,Romesberg及其团队又有了新的重要发现,他们发现非自然状态下的碱基能够植入大肠杆菌的基因组中,产生半人工生命体,其可以通过转录、翻译非自然状态下的氨基酸,合成蛋白质的效率和天然核苷酸并无差距。相关研究发表在最新一期的Nature杂志上。
 
“人造碱基的研究发展至今已有近 30 年的历史,它又被称为非天然碱基对或人工扩展碱基字母,是一种通过对碱基的改造,人工设计合成的可以行使或模拟天然核酸功能、而又具有相对独立性的人造 DNA 。”中国科学院北京基因组研究所“百人计划”学者陈非对该研究做了解读。
 
陈非研究员表示,“2014年,Romesberg研究小组成功构建了包含一对人造碱基(dNaM–dTPT3)的人工合成细菌,首次成功实现人造碱基对的体内复制,这一里程碑式的工作发表于Nature上,并被Science杂志列为当年十大科学突破之一。本研究在上述研究的基础上更进一步,Romesberg研究小组借助人工合成的反密码子GYT(Y为非天然核苷酸TPT3)的 tRNA 的帮助,成功实现了非天然碱基X(dNaM)的体内翻译。本研究以绿色荧光蛋白为非天然碱基体内翻译的报告基因,在其151位氨基酸密码子中掺入了一个人工碱基X(AXC),合成并使用了3种人工合成的包含人工碱基反密码子的tRNA(分别源于E.coli, Methanosarcina mazei, Methanococcus jannaschii的tRNA序列),均实现了人工碱基的高效内源表达,且不影响细菌的正常生长。”
 
目前,陈非研究员正从事合成生命遗传系统设计与构建、重大疾病基因组学及相关核酸分子精准检测、诊断技术等方面的研究,他曾师从现代合成生物学联合创始人Steven A Benner教授。
 
Romesberg认为,半合成生命体能够储存、复制非自然状态下的遗传信息,未来可被用来创造新的新的蛋白质,新的材料,甚至新的治疗方法。对于药物的开发以及其他有用的分子来说,半合成人工生命体同样也会有帮助。
 
也许有人会担忧,未来可能会造出完全不由ATCG组成的、由其他遗传密码组成的人工生命体。Romesberg强调,目前这项研究仅在单细胞(如大肠杆菌)等低等生物中进行实验,仅用它们来存储遗传信息。
 
对于这项研究,陈非给予了高度评价,“这无疑是人工合成生命领域的一次革命性的突破,它的成功打通了人造碱基的体内复制、转录、翻译生命中心法则的主要环节,为构建稳定遗传的人工合成生命遗传系统翻开了新的一页。这既是‘生命工程化’的一次有益的尝试,也是‘从头合成生命系统’领域的一次革命,对化学合成生物学研究领域的发展也会起到极大的推动促进作用,并可能为合成生物学开辟出一条新的、更安全的别样健康发展之路。”
值得一提的是,Romesberg于2016年由河南师范大学推选,入选有机化学学科的“长江学者奖励计划”讲座教授名单,并成为该校首位入选“长江学者奖励计划”的专家。
 
参考资料
Zhang Y. et al. A semi-synthetic organism that stores and retrieves increased genetic information. 2017. Nature. doi:10.1038/nature24659.
 
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