尽管地球上的生命有着壮丽的多样性，从微小的细菌到雄伟的蓝鲸，从采集阳光的植物到消化矿物质的地下微生物，但“我们所知的生命”只有一种。所有这些生物都基于核酸——DNA和RNA——以及蛋白质，它们或多或少按照所谓的分子生物学中心法则协同工作：DNA存储信息，信息转录为RNA，然后RNA作为模板产生蛋白质。反过来，蛋白质作为组织中重要的结构元素，并作为酶，是细胞的“主力军”。
然而，科学家们梦想合成一种与这个世界完全不同的生命——既为了更好地理解生命所需的最低限度成分（作为揭示生命的本质以及生命如何在地球上起源的探索的一部分），坦率地说，也是为了看看他们是否能做到。也就是说，他们希望组合一种新的分子组合，这种组合可以自组织、代谢（利用能量来源）、生长、繁殖和进化。
一些研究人员为了实现这一愿景而研究的一种分子是肽核酸 (PNA)，它模仿 DNA 和 RNA 的信息存储功能，但建立在蛋白质样骨架之上，该骨架比它们的糖-磷酸骨架更简单、更坚固。我的团队在 15 年前开发了 PNA，当时的项目目标比创造前所未有的生命形式更直接有用。我们试图设计通过作用于构成特定基因的 DNA 来发挥作用的药物，以阻止或增强基因的表达（其编码蛋白质的产生）。这种药物在概念上与“反义”化合物相似，例如短 DNA 或 RNA 链，它们与特定的 RNA 序列结合，干扰疾病相关蛋白质的产生 [参见 Gary Stix 的“关闭基因开关”；《大众科学》，2004 年 10 月]。
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PNA 独特的特性使其在反义 DNA 和 RNA 方面具有多项潜在优势，包括更灵活地与 DNA 以及 RNA 结合，与其靶标结合更牢固，以及在富含酶的细胞环境中具有更高的化学稳定性。许多研究表明 PNA 适用于修饰基因表达，主要是在分子试管实验和细胞培养物中。动物研究已经开始，将 PNA 转化为可以从血液中轻易进入人体细胞的药物的研究也已开始。
除了促进令人兴奋的医学研究外，这些神奇的分子还激发了与地球生命起源相关的推测。一些科学家提出，PNA 或非常相似的分子可能在蛋白质、DNA 和 RNA 进化之前，就已构成早期生命的基础。或许人工生命研究人员不是在创造新的生命，而是在重新创造我们最早的祖先。
进入凹槽
PNA 的发现故事始于 1990 年代初期。为了开发比反义 RNA 具有更广泛功能的药物，我的同事 Michael Egholm、Rolf H. Berg 和 Ole Buchardt 以及我想开发能够识别具有特定碱基序列的双链或双螺旋 DNA 的小分子——这不是一件容易的任务。困难与熟悉的 DNA 双螺旋结构有关。
是碱基——胸腺嘧啶 (T)、腺嘌呤 (A)、胞嘧啶 (C) 和鸟嘌呤 (G)——存储了 DNA 中的信息。（在 RNA 中，胸腺嘧啶被非常相似的分子尿嘧啶或 U 取代。）通过氢键连接的这些碱基对构成了熟悉的 DNA“梯子”的“梯级”。C 与 G 结合，A 与 T 结合，这被称为沃森-克里克碱基配对。因此，与具有特征碱基序列的双螺旋 DNA 片段结合的化合物将是对含有该特定碱基序列的任何基因起作用的化合物。
如果化合物必须在单链 DNA 或 RNA 上找到特定的碱基序列，则识别任务相对容易。如果两个核酸链具有互补序列，则标准碱基配对可以将两条链拉到一起。因此，如果人们知道基因的序列——例如，来自人类基因组计划的数据——产生一种分子来锁定单链基因的一部分，就像合成互补序列一样简单。
然而，在双螺旋 DNA 中，识别序列的任务更具挑战性，因为负责沃森-克里克配对的原子已经参与了连接两条链的氢键，因此无法与其他分子连接。然而，细胞包含许多所谓的基因调控蛋白，它们识别双螺旋 DNA 中的序列，以执行控制基因表达的功能。因此，这项壮举是可以完成的。如果我的团队能够找到能够完成这项任务的分子，那么这些分子可能可以作为基因调控药物。
基因表达分两个阶段进行。首先，在转录中，一种酶构建信使 RNA (mRNA)，这是一种 RNA 链，其中包含 DNA 螺旋中一条链的碱基序列的副本。一种称为核糖体的分子机器（本身由 RNA 和蛋白质组成）执行第二阶段，将 mRNA 翻译成基因编码的蛋白质。反义剂通过与 mRNA 结合来干扰翻译。这些化合物通常是小的、化学修饰的 RNA 或 DNA 分子，其设计具有适当的序列，可以通过沃森-克里克碱基配对来识别其 mRNA 靶标。通过与 mRNA 结合，该试剂可能会触发酶降解 RNA，或者可能只是物理干扰 mRNA 的功能。
细胞利用称为转录因子的蛋白质来识别双链 DNA 中的特定序列，从而在转录阶段控制基因表达。这些蛋白质可以通过阻碍 RNA 聚合酶来抑制基因，否则 RNA 聚合酶会将 DNA 序列转录为 mRNA，或者它们可以通过帮助 RNA 聚合酶附着到 DNA 并开始转录来激活基因。
尽管这些蛋白质提供了一种能够从螺旋外部“读取”DNA 序列的分子模型，但在 1990 年代，生物化学家尚无法从序列开始并设计一种新的蛋白质来识别它。基因调控蛋白通过在其表面具有正确的整体形状和化学成分来识别其 DNA 序列，从而与 DNA 的所谓大沟中的序列结合，从而可以访问沿着双螺旋中心运行的碱基对。但是蛋白质活性表面的结构取决于其氨基酸链的折叠方式，研究人员无法准确地模拟这个过程。
自那时以来，通过借鉴包含锌指结构域的基因调控蛋白，已经取得了一些进展。锌指结构域是大约 30 个氨基酸的长度，它们围绕锌离子折叠，形成特征性的“手指”结构，可以容纳在大沟中，并排列一些氨基酸与 DNA 的碱基对齐。研究人员已经开发出具有锌指的人工蛋白质，但总的来说，即使对于相对较短的 DNA 序列，仍然难以编程氨基酸序列来匹配。
早在 1957 年，即 DNA 双螺旋发现仅四年后的一项发现，提供了另一种方法。那一年，当时都在国家精神健康研究所的加里·费尔森菲尔德、亚历山大·里奇和大卫·戴维斯创建了三重螺旋结构，其中核酸链自身附着在双螺旋核酸分子的大沟中。额外的链利用了 T-A 和 C-G 碱基对的一种不同类型的键合，称为 Hoogsteen 配对，以 Karst Hoogsteen 的名字命名。因此，沿三螺旋的每个位置都有一个碱基三联体，其中 T 与 T-A 对结合（T-A=T，其中“=”表示 Hoogsteen 配对），或者 C 与 C-G 单元结合（C-G=C）。然而，这种结构只能在额外的链是同嘧啶时形成——完全由 C 和 T（或 RNA 中的 U）组成——因为每个 Hoogsteen 对都需要双螺旋链上的 G 或 A。
1987 年，当时在巴黎国家自然历史博物馆的已故克劳德·海伦和加州理工学院的彼得·B·德尔文各自独立地证明，三重螺旋结构确实可以被利用来设计寡核苷酸（约 15 个核苷酸长的 DNA 链），这些寡核苷酸可以读取双链 DNA 中的序列并结合其 Hoogsteen 互补靶标。
令人惊讶的入侵
受到通过沟槽结合、形成三重螺旋的寡核苷酸对 DNA 双螺旋进行数字读出的启发，我的团队开始合成一种分子，该分子可以用更少的限制来完成相同的技巧。特别是，我们希望找到不限于识别完全由 G 和 A 组成的序列的分子。我们还希望我们的分子是中性的。核酸的骨架包含磷酸基团，这些磷酸基团在溶液中带负电荷。第三条链上这些负电荷引起的排斥力削弱了第三条链与三螺旋的结合。
因此，我们决定将设计基于酰胺化学，涉及与蛋白质中连接氨基酸的键相同类型的键。使用酰胺键或肽键的成熟技术可以方便地合成高度稳定、中性的分子。我们提出的肽核酸分子具有肽样骨架，该骨架由比 DNA 和 RNA 的糖和磷酸更简单的重复单元制成。每个单元可能都连接有标准核酸碱基（T、A、C 或 G），或已针对特殊目的修饰的碱基。PNA 沿线的碱基间距非常接近 DNA 和 RNA 的碱基间距，这使得短 PNA 链或 PNA 寡聚体能够与 DNA 和 RNA 链以及另一个 PNA 链形成非常稳定的双螺旋结构。碱基通过标准的沃森-克里克键合连接在一起。
当我们尝试用同嘧啶 PNA 靶向双螺旋 DNA 时，令我们惊讶的是，PNA 没有像计划的那样在大沟中结合。相反，一条 PNA 链侵入了螺旋，取代了一条 DNA 链，与它的互补链形成沃森-克里克键，而第二条 PNA 链形成 Hoogsteen 键，形成 PNA-DNA=PNA 三螺旋。被取代的 DNA 长度形成了一个称为 P-环的单链结构，与三螺旋并排。
这种三螺旋入侵结合模式具有几个非常有趣的生物学后果，因为三螺旋具有很高的稳定性，而 P-环会影响诸如转录、DNA 复制和基因修复等中心生物学过程。例如，P-环结构可以启动 DNA 的 RNA 转录。此外，单链环可以用于诊断遗传疾病等应用：样品中的 DNA 必须首先扩增（复制大量次数），而环可以作为复制过程的特定附着点。
其他结合模式也会发生，具体取决于靶标 DNA 序列以及我们如何修饰 PNA 的碱基。其中，双螺旋入侵特别有趣。在这种模式下，我们制备两个假互补 PNA 寡聚体——也就是说，它们的碱基经过充分修饰以防止形成 PNA-PNA 双螺旋，但修饰程度不足以破坏它们各自与普通互补 DNA 链的结合。因此，PNA 侵入双链 DNA 并形成两个 PNA-DNA 双螺旋。与三螺旋形成不同，三螺旋形成需要在靶标 DNA 中有很长的嘌呤（A 和 G）延伸段，而双螺旋入侵结合模式的序列要求较低：使用当前技术，靶标序列必须包含至少 50% 的 A-T 碱基对。即使发现合适的 G 和 C 碱基修饰形式，这种约束也会放宽。
PNA 以这些方式与互补 RNA 或 DNA 分子结合，其特异性和亲和力甚至高于天然 DNA 所表现出的特异性和亲和力。因此，附着有荧光基团的 PNA 寡聚体作为探针在诊断测试中检测特定基因具有吸引力。例如，所谓的荧光原位杂交分析突出了染色体上存在特定序列的位置。
药物前景
细胞培养物以及体外溶液中的许多研究已经证明了使用 PNA 寡聚体通过以各种方式与 DNA 结合来抑制或激活特定基因的转录、复制或修复的概念验证。研究人员还报告了大量实验，表明 PNA 寡聚体可以在某种程度上发挥反义 RNA 干扰的作用，在翻译阶段抑制基因表达，无论是在细胞培养物中还是在少数小鼠研究中。PNA 通过物理阻断涉及 RNA 的关键过程来实现这些效果。相比之下，用于 RNA 干扰的 DNA 或 RNA 寡聚体在细胞中酶的帮助下，会分解形成的 RNA-DNA 或 RNA-RNA 双螺旋。RNA-PNA 结构不太可能获得这种帮助，因为酶无法识别这种外来结构，尽管到目前为止，研究人员仅针对相关酶之一研究了这个问题。然而，PNA 寡聚体的外来性质也使其在生物环境中非常稳定——分解其他肽的酶无法识别它们，因此 PNA 有更多时间遇到匹配的 RNA 并使其失效。
在某些情况下，阻断 RNA 过程可以恢复健康的蛋白质。牛津大学的马修·伍德和他的同事在 2007 年证明，PNA 可以利用这种效应。当他们将 PNA 注射到患有肌营养不良症的小鼠体内时，注射的肌肉显示肌营养不良蛋白的水平升高，肌营养不良蛋白的缺失会导致肌营养不良症。PNA 阻止了肌营养不良蛋白基因中的不良片段从 RNA 翻译成蛋白质，从而消除了该片段中存在的使人衰弱的突变，同时保留了足够多的肌营养不良蛋白以发挥作用。
PNA 寡聚体和传统核酸具有共同的生物利用度差的问题，因为它们是大的且主要亲水性（喜水）分子，这使得它们难以进入细胞，而细胞壁是由疏水性脂膜制成的。尽管 PNA 具有很高的稳定性，但它们在动物体内停留的时间不长，由于其亲水性，很快就会通过尿液排出。例如，小鼠体内一半的 PNA 在不到半小时内就会消失。因此，基于 PNA 的药物的出现有待于开发合适的化学修饰或药物制剂（即与其他物质的混合物），以提高 PNA 的生物利用度。事实上，总体而言，基因药物研究的主要重点是克服体内细胞递送问题的工作。研究人员认为，这个障碍是阻碍该领域医学突破的最后一个障碍。
合成生命
通过桥接核酸和蛋白质领域，PNA 可能既可以作为信息存储库（如 DNA），又可以作为合成细胞的催化机制（如天然细胞中许多基于蛋白质的酶）。正是这种潜在的双重能力，以及 PNA 的其他特性，吸引了寻求创造合成生命的科学家的兴趣。
然而，在许多方面，RNA 在这场游戏中领先于 PNA。天然和合成的催化 RNA 例子比比皆是。相比之下，催化 PNA 分子仍有待发现。然而，就像蛋白质和 RNA 一样，PNA 寡聚体确实会折叠成各种形状（所谓的二级和三级结构），这些形状是执行催化的关键，所以我
相信开发出 PNA 主题的催化变体只是时间问题。
通过组装分子集合从头开始创造生命的最先进方法，旨在识别催化自身合成的自复制 RNA 分子。原则上，这些方案中的 RNA 分子可以用 PNA 或非常相似的合成分子代替。已经发现了使用短寡核苷酸的自催化复制系统，以及自复制短肽。因此，应该有可能开发出类似的自复制 PNA 系统。基于 PNA 的自复制系统将具有化学稳定的肽键的优势，以及碱基序列识别的多功能性和特异性。
然而，遗传复制系统只是生命的一个组成部分，尽管是核心组成部分。生命的本质是一个化学反应网络，它以相对稳定但又不在平衡状态的状态下运行，并且对输入和输出都是开放的 [参见罗伯特·夏皮罗的“生命起源更简单”；《大众科学》，2007 年 6 月]。因此，一个主要的挑战是将自复制分子纳入更大的系统中，该系统执行其他催化活性并具有代谢循环，并将该系统与物理区室（如脂质囊泡）整合，形成一些研究人员称之为“原细胞”的东西。
洛斯阿拉莫斯国家实验室的斯蒂恩·拉斯穆森和阿贡国家实验室的陈辽海提出了基于 PNA 的原始原细胞设计。原细胞容器由表面活性剂分子（具有亲水性或喜水性头部的脂链）自组装而成。PNA 的骨架经过修饰以具有亲脂性或喜油性，因此 PNA 会嵌入原细胞的表面。短 PNA 片段与原细胞的 PNA 配对，形成具有互补序列的第二条链。光敏分子为更多表面活性剂分子的产生提供动力，从而增加原细胞的大小。当它长到足够大时，原细胞变得不稳定并自然裂变。然而，这个提议具有高度的推测性，并且仍然存在化学家尚未解决的一个基本问题——双链 PNA 的稳定性极大地抑制了它分离成两个子链。在研究人员开发出稳健的人工细胞之前，还有很长的曲折道路要走。
生命的起源？
在实验室中从头开始创造生命的这些努力的一个主要目标是更好地了解生命如何在地球上开始。考虑到当代生命形式的详细微生物学，似乎非常清楚 RNA 可能比 DNA 和蛋白质更原始，并且对生命更重要。这种分子可以同时携带生物体的基因型（遗传序列信息）和表型（催化功能）。由于这个原因以及其他证据，许多科学家现在接受了我们的 DNA/RNA/蛋白质世界之前存在 RNA 世界的想法 [参见莱斯利·E·奥格尔的“地球生命的起源”；《大众科学》，1994 年 10 月]。
然而，原始的益生元条件如何产生 RNA 分子，特别是 RNA 骨架中的糖核糖，仍然非常不清楚。此外，即使产生了 RNA 分子，RNA 非常差的化学稳定性也几乎不允许这些分子在不受保护的情况下存活足够长的时间，以在生命的初始化学进化中发挥核心作用。因此，像 PNA 这样的分子似乎非常有吸引力，可以作为 RNA 前世界的候选者：它非常稳定且化学性质简单，并且携带序列信息。
2000 年，斯坦利·L·米勒因其 50 多年前开创性的实验而闻名，该实验表明氨基酸可以在被认为模拟原始地球的条件下形成，他在类似的实验中发现了 PNA 的前体。研究人员还表明，PNA 寡聚体中的序列信息可以通过“化学复制”转移到另一个 PNA 寡聚体或 RNA 分子——PNA 世界以及随后的过渡性 PNA/RNA 世界所需的过程。诚然，从这些稀少的观察结果到为基于 PNA 或某些非常相似分子的 RNA 前世界建立强有力的案例，还有很长的路要走，并且为了使该假设站得住脚，科学家必须发现具有催化活性的 PNA 分子。
在 PNA 发现 15 年后，关于 PNA 仍有很多东西需要学习：催化 PNA 分子是否可能存在？将治疗性 PNA 递送到细胞中的良好系统是什么？可以在实验室中创造出完全不同的、基于 PNA 的生命形式吗？我相信这些问题和许多其他问题将在未来 15 年内得到很好的解答。
注意：本文最初印刷时的标题为“一种新的生命分子？”。