地球上的所有生命的遺傳密碼都基于四種核苷酸。而現在，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合，突破性地創(chuàng )造了具有“八字母”的DNA分子結構，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，該分子結構和功能與天然的DNA分子相似，可以?xún)Υ嫘畔⑸踔帘晦D錄成RNA。研究人員表示，這種“八字母”DNA分子的信息存儲能力是天然核酸的兩倍，可能存在廣闊的生物技術(shù)應用前景。此外，這一結果也擴大了可能支持生命的分子結構范圍，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)內資深人士也對這項成果表達了由衷的贊嘆。
“這真是一篇激動(dòng)人心的論文……一項杰出的技術(shù)成就。它如此優(yōu)雅地增加了DNA及RNA構建模塊的數量，并大大擴展了核酸的信息密度。”來(lái)自美國西北大學(xué)的生物工程學(xué)家Michael Jewett并未參與這項研究，但對這項成就贊嘆不已。
來(lái)自斯克里普斯研究所的Floyd Romesberg對此評價(jià)道：“Steve現在所展示的是，你可以將DNA的單位翻倍，并保持可預測的化學(xué)過(guò)程，我認為這是驚人的，這是一項里程碑式的成就。”他還補充道，這項研究表明，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。”
美國里士滿(mǎn)大學(xué)生物學(xué)家Eugene Wu也表示：“看到有人設計出這樣一個(gè)系統，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，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。但論文通訊作者、佛羅里達州應用分子進(jìn)化基金會(huì )項目負責人Steven Benner則表示，理論還有更多可能。
當嘌呤（G或A）通過(guò)氫鍵與嘧啶（C、T或U）相連接時(shí)，堿基對就形成了。然而，也有其他嘌呤和嘧啶型的結構可以假設連接產(chǎn)生與標準DNA相同的螺旋結構。長(cháng)期以來(lái)，科學(xué)家一直試圖在遺傳密碼中添加更多對堿基。例如，在20世紀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預計總共有4種其他氫鍵堿基對是可能存在的，它們由8個(gè)新的結構組成。他認為：“從本質(zhì)上講，DNA還沒(méi)有完全利用其結構極限。正因為如此，DNA分子可以被擴展……你可以添加更多‘字母’。”
此前，Steven Benner研究團隊已經(jīng)將兩個(gè)合成核苷酸（Z-P堿基對）結合到DNA中，并證明它們可以在體外復制和轉錄?，F在，該團隊再次增加了一種堿基對——S和B。
作為信息存儲系統，DNA必須遵循可預測的規則。團隊首先證明，與常規堿基類(lèi)似，合成堿基能夠可靠地形成配對。他們創(chuàng )造了數百個(gè)合成DNA分子，發(fā)現這些字母可以被預測地聯(lián)系在一起。此外，研究團隊還表明，無(wú)論合成堿基的順序如何，雙螺旋結構都能夠保持穩定。該團隊將化學(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(guān)察到熔解溫度平均在預測值的2.1℃以?xún)?，與標準DNA寡核苷酸的誤差范圍類(lèi)似，具可預測的熱力學(xué)穩定性。三種不同“Hachimoji DNA”寡核苷酸的高分辨率晶體結構也證實(shí)了結構的相似性。
從化學(xué)上講，“Hachimoji DNA”的外觀(guān)和表現與標準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”轉錄成RNA，研究團隊嘗試了許多噬菌體RNA聚合酶變體，直到團隊發(fā)現其中一種能夠完成這項任務(wù)。利用這種RNA聚合酶，研究團隊轉錄了一種已知的RNA適配體的“Hachimoji”版本。這種適配體名為“Spinach”，能夠結合并照亮一個(gè)特定的熒光團。不出所料，轉錄的“Hachimoji RNA”能夠如預期的那樣發(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，它們可以與目標分子進(jìn)行不同類(lèi)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的人工合成核苷酸相結合，從而進(jìn)一步提高功能。
對于這種剛剛問(wèn)世的新型分子結構，無(wú)數更廣闊的應用領(lǐng)域正在不遠的未來(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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