地球上的所有生命的遺傳密碼都基于四種核苷酸。而現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)創(chuàng)造出了由八種核苷酸組成的雙鏈DNA。
根據(jù)今日發(fā)表于《科學(xué)》雜志的一篇文章，研究人員通過(guò)將四種合成核苷酸與天然存在于核酸中的四種核苷酸相結(jié)合，突破性地創(chuàng)造了具有“八字母”的DNA分子結(jié)構(gòu)，名為“Hachimoji（日語(yǔ)‘八’和‘字母’） DNA”。這是科學(xué)家首次創(chuàng)造出一種合成的“八字母”遺傳語(yǔ)言，該分子結(jié)構(gòu)和功能與天然的DNA分子相似，可以儲(chǔ)存信息甚至被轉(zhuǎn)錄成RNA。研究人員表示，這種“八字母”DNA分子的信息存儲(chǔ)能力是天然核酸的兩倍，可能存在廣闊的生物技術(shù)應(yīng)用前景。此外，這一結(jié)果也擴(kuò)大了可能支持生命的分子結(jié)構(gòu)范圍，包括整個(gè)宇宙的生命，表明了更廣泛的化學(xué)物質(zhì)可以支持生命。
在論文發(fā)表后，諸多業(yè)內(nèi)資深人士也對(duì)這項(xiàng)成果表達(dá)了由衷的贊嘆。
“這真是一篇激動(dòng)人心的論文……一項(xiàng)杰出的技術(shù)成就。它如此優(yōu)雅地增加了DNA及RNA構(gòu)建模塊的數(shù)量，并大大擴(kuò)展了核酸的信息密度。”來(lái)自美國(guó)西北大學(xué)的生物工程學(xué)家Michael Jewett并未參與這項(xiàng)研究，但對(duì)這項(xiàng)成就贊嘆不已。
來(lái)自斯克里普斯研究所的Floyd Romesberg對(duì)此評(píng)價(jià)道：“Steve現(xiàn)在所展示的是，你可以將DNA的單位翻倍，并保持可預(yù)測(cè)的化學(xué)過(guò)程，我認(rèn)為這是驚人的，這是一項(xiàng)里程碑式的成就。”他還補(bǔ)充道，這項(xiàng)研究表明，在地球上進(jìn)化出的四種化學(xué)物質(zhì)并沒(méi)有什么特別的“魔力”或特殊含義。 “這是一個(gè)概念上的突破。”
美國(guó)里士滿大學(xué)生物學(xué)家Eugene Wu也表示：“看到有人設(shè)計(jì)出這樣一個(gè)系統(tǒng)，真是令人興奮。它引人思考這樣一個(gè)生命起源的問(wèn)題：為什么這4個(gè)核苷酸形成了核酸？為什么不能是8或者其他數(shù)字呢？”
無(wú)論是什么原因，在過(guò)去的40億年左右，只有兩種堿基對(duì)，即A-T、C-G，或者在RNA情況下的A-U，是大自然創(chuàng)造地球上無(wú)窮無(wú)盡生命所需要的一切基礎(chǔ)。但論文通訊作者、佛羅里達(dá)州應(yīng)用分子進(jìn)化基金會(huì)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Steven Benner則表示，理論還有更多可能。
當(dāng)嘌呤（G或A）通過(guò)氫鍵與嘧啶（C、T或U）相連接時(shí)，堿基對(duì)就形成了。然而，也有其他嘌呤和嘧啶型的結(jié)構(gòu)可以假設(shè)連接產(chǎn)生與標(biāo)準(zhǔn)DNA相同的螺旋結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家一直試圖在遺傳密碼中添加更多對(duì)堿基。例如，在20世紀(jì)80年代，Steven Benner首次創(chuàng)造了“非自然”的堿基。其他研究小組也緊隨其后。Steven Benner預(yù)計(jì)總共有4種其他氫鍵堿基對(duì)是可能存在的，它們由8個(gè)新的結(jié)構(gòu)組成。他認(rèn)為：“從本質(zhì)上講，DNA還沒(méi)有完全利用其結(jié)構(gòu)極限。正因?yàn)槿绱?，DNA分子可以被擴(kuò)展……你可以添加更多‘字母’。”
此前，Steven Benner研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將兩個(gè)合成核苷酸（Z-P堿基對(duì)）結(jié)合到DNA中，并證明它們可以在體外復(fù)制和轉(zhuǎn)錄?，F(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)再次增加了一種堿基對(duì)——S和B。
作為信息存儲(chǔ)系統(tǒng)，DNA必須遵循可預(yù)測(cè)的規(guī)則。團(tuán)隊(duì)首先證明，與常規(guī)堿基類似，合成堿基能夠可靠地形成配對(duì)。他們創(chuàng)造了數(shù)百個(gè)合成DNA分子，發(fā)現(xiàn)這些字母可以被預(yù)測(cè)地聯(lián)系在一起。此外，研究團(tuán)隊(duì)還表明，無(wú)論合成堿基的順序如何，雙螺旋結(jié)構(gòu)都能夠保持穩(wěn)定。該團(tuán)隊(duì)將化學(xué)合成的新型核苷酸整合到雙鏈寡核苷酸（含有G、A、T、C、Z和P）中，然后測(cè)試了這些分子的熔解溫度，即氫鍵斷裂形成單鏈分子的溫度。研究人員觀察到熔解溫度平均在預(yù)測(cè)值的2.1℃以內(nèi)，與標(biāo)準(zhǔn)DNA寡核苷酸的誤差范圍類似，具可預(yù)測(cè)的熱力學(xué)穩(wěn)定性。三種不同“Hachimoji DNA”寡核苷酸的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)也證實(shí)了結(jié)構(gòu)的相似性。
從化學(xué)上講，“Hachimoji DNA”的外觀和表現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)DNA相似。然而，能夠讀懂和處理核酸的酶是很難被欺騙的，因此，為了將“Hachimoji DNA”轉(zhuǎn)錄成RNA，研究團(tuán)隊(duì)嘗試了許多噬菌體RNA聚合酶變體，直到團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)其中一種能夠完成這項(xiàng)任務(wù)。利用這種RNA聚合酶，研究團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)錄了一種已知的RNA適配體的“Hachimoji”版本。這種適配體名為“Spinach”，能夠結(jié)合并照亮一個(gè)特定的熒光團(tuán)。不出所料，轉(zhuǎn)錄的“Hachimoji RNA”能夠如預(yù)期的那樣發(fā)光。
毫無(wú)疑問(wèn)，產(chǎn)生功能性“Hachimoji RNA”的能力為RNA生物技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)辟了許多可能性。RNA可以作為催化分子，所以使用新型核苷酸鏈，則可以產(chǎn)生更多官能團(tuán)，它們可以與目標(biāo)分子進(jìn)行不同類型的相互作用，增加催化范圍。“Hachimoji DNA”甚至可以與其他基于不同堿基對(duì)的人工合成核苷酸相結(jié)合，從而進(jìn)一步提高功能。
對(duì)于這種剛剛問(wèn)世的新型分子結(jié)構(gòu)，無(wú)數(shù)更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域正在不遠(yuǎn)的未來(lái)。更重要的是，“Hachimoji DNA”的存在突破了自然界遺傳語(yǔ)言的界限，或許在某個(gè)遙遠(yuǎn)的外星世界，生命形式正以我們從未想象到的形式存在。
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