撰文 | 叶水送

责编 | 陈晓雪

 

●　●　●

 

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.