地球上生命的 DNA 天然地将其信息存储在仅有的四种关键化学物质中——鸟嘌呤、胞嘧啶、腺嘌呤和胸腺嘧啶，通常分别称为 G、C、A 和 T。
现在，科学家们已将生命基石的数量增加了一倍，首次创造出一种合成的、八个字母的遗传语言，这种语言似乎像天然 DNA 一样存储和转录信息。
在 2 月 22 日发表于《科学》杂志上的一项研究中，由佛罗里达州阿拉楚阿应用分子进化基金会创始人史蒂文·本纳领导的一个研究联盟提出，扩大的遗传字母表在理论上也可能支持生命。
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“这是一个真正的里程碑，”加利福尼亚州拉霍亚斯克里普斯研究所的化学生物学家弗洛伊德·罗姆斯伯格说。罗姆斯伯格说，这项研究暗示，地球上进化的这四种化学物质并没有什么特别“神奇”或特别之处。“这是一个概念上的突破，”他补充道。
通常，当一对 DNA 链以双螺旋结构相互缠绕时，每条链上的化学物质会配对：A 与 T 结合，C 与 G 结合。
长期以来，科学家们一直试图向这种遗传密码中添加更多对化学物质，也称为碱基。例如，本纳在 20 世纪 80 年代首次创造了“非天然”碱基。其他研究小组也纷纷效仿，罗姆斯伯格的实验室在 2014 年将一对非天然碱基插入活细胞后成为头条新闻。
但最新的研究首次系统地证明，互补的非天然碱基相互识别并结合，并且它们形成的双螺旋结构保持稳定。
本纳的团队（包括来自美国各公司和机构的研究人员）通过调整常规碱基的分子结构创造了合成碱基。DNA 字母配对是因为它们形成氢键：每个字母都包含氢原子，氢原子会吸引其伙伴中的氮原子或氧原子。本纳解释说，这有点像乐高积木，当孔和突起对齐时，它们会卡在一起。
通过调整这些孔和突起，该团队提出了几对新的碱基，包括一对名为 S 和 B 的碱基，以及另一对名为 P 和 Z 的碱基。在最新的论文中，他们描述了如何将这四种合成碱基与天然碱基结合起来。研究人员将由此产生的八个字母的语言称为“hachimoji”，这个词来源于日语中“八”和“字母”的单词。额外的碱基在形状上与四种天然碱基中的一种相似，但在其结合模式上有所不同。
然后，研究人员进行了一系列实验，表明他们的合成序列与天然 DNA 共享支持生命所必需的特性。
数据检索
为了作为信息存储系统工作，DNA 必须遵循可预测的规则，因此该团队首先证明，与常规碱基类似，合成碱基可靠地形成配对。他们创造了数百个合成 DNA 分子，发现这些字母可预测地与其伙伴结合。
然后他们表明，无论合成碱基的顺序如何，双螺旋的结构都保持稳定。这很重要，因为为了让生命进化，DNA 序列需要能够变化而不会使整个结构崩溃。利用 X 射线衍射，该团队表明，当结晶时，合成 DNA 的三种不同序列保持相同的结构。
英国剑桥 MRC 分子生物学实验室的合成生物学家菲利普·霍利格说，这是一个实质性的进步，因为其他扩展遗传字母表的方法在结构上不如这种方法稳固。这些其他方法不使用化学物质来利用氢键进行配对，而是使用疏水分子作为其碱基。这些疏水分子可以间隔地放置在天然字母之间，但如果将它们成行放置，DNA 的结构就会崩溃。
最后，该团队表明，合成 DNA 可以忠实地转录成 RNA。“对于进化而言，存储信息的能力并不是很有趣，”本纳说。“你必须能够将该信息转移到可以发挥作用的分子中。”
将 DNA 转化为 RNA 是将遗传信息转化为蛋白质（生命的劳动力）的关键步骤。但是，一些 RNA 序列（称为适配体）本身可以与特定分子结合。
本纳的团队创造了编码某种适配体的合成 DNA，然后证实发生了转录，并且 RNA 序列功能正常。
霍利格说，这项工作是一个令人兴奋的起点，但在达到真正的八个字母的合成遗传系统之前，还有很长的路要走。例如，一个关键问题是，合成 DNA 是否可以被聚合酶复制，聚合酶是细胞分裂期间负责在生物体内合成 DNA 的酶。对于其他方法（如罗姆斯伯格的方法，该方法使用疏水碱基）已经证明了这一点。
生命的多样性
尽管如此，本纳说，这项工作表明，生命可能可以由具有与我们已知的四种不同的结构的 DNA 碱基来支持，这可能与在宇宙其他地方寻找生命迹象有关。
向 DNA 添加字母也可能具有更实际的应用。
由于遗传构件的多样性增加，科学家们有可能创造出比标准四个字母更能胜任的 RNA 或 DNA 序列，包括超出遗传存储的功能。
例如，本纳的研究小组之前表明，包含 Z 和 P 的 DNA 链比仅包含标准四个碱基的序列更能与癌细胞结合。本纳成立了一家公司，该公司将合成 DNA 商业化，用于医疗诊断。
研究人员有可能使用他们的合成 DNA 来创造新的蛋白质以及 RNA。本纳的团队还开发了更多对新碱基，从而为创建包含 10 个甚至 12 个字母的 DNA 结构开辟了可能性。但罗姆斯伯格说，研究人员已经将遗传字母表扩展到八个字母这一事实本身就非常了不起。“它已经使自然界拥有的东西增加了一倍。”
本文经许可转载，并于 首次发表 于 2019 年 2 月 21 日。