生命的字母被翻倍了！這意味著什麼？

幾十億年前，4種旋轉、跳躍於我們的地球上的分子，像是突然有了意志一般，以我們至今仍難以設想的方式優雅地組成了DNA雙螺旋結構，為我們星球上的生命提供了遺傳密碼。這4種物分子分別是腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶，我們通常用A、G、C、T這四個字母來分別表示這4種天然鹼基。在正常情況下，當兩條DNA鏈以雙螺旋的形式纏繞在一起時，每條鏈上的鹼基會相互成鍵配對：A對T，C對G。

現如今，一篇最新發表在《科學》期刊上的研究表明，這種生命的組成成分已經從4個變成了8個！科學家成功地創造出了也能對遺傳信息進行存儲與轉錄的合成鹼基。從理論上看，這些擴展出的合成鹼基也可用於支撐生命。

這是一項里程碑式的成果。因為它從側面表明，與地球上的生命進化息息相關的4種天然鹼基，並無什麼特殊的魔力。

1.

其實，科學家從很久以前就開始思考是否只有這4種鹼基才能成為構成生命的基礎，他們嘗試將更多的鹼基添加到遺傳密碼中。早在20世紀80年代，領導了這次研究的化學家Steve Benner就首次創造出了「非自然」的鹼基。自那之後，許多不同的研究小組也相繼開展了這類研究。

那麼新的研究有什麼特別之處呢？它首次系統性地證明了，非自然鹼基也能像自然鹼基那樣相互識別與結合，並且能形成可自我維持的穩定的雙螺旋結構。研究人員通過調整普通鹼基的分子結構，創造出了這些合成鹼基。

我們知道，DNA的鹼基配對是源於鹼基之間有氫鍵形成：每一個鹼基的氫原子，會被與它們對應的「拍檔」身上的氮原子或氧原子吸引。通過調整這些分子，研究人員發現了幾對新的鹼基，其中一對被命名為B和S，另一對名為P和Z。

○ 全新的8鹼基遺傳系統的結構。四種天然的鹼基分別是G(綠色)、A(紅色)、C(藍色)和T(黃色)，四種合成的鹼基分別是B(青色)、S(粉色)、P(紫色)、Z(橙色)。 | 圖片來源： Indiana University School of Medicine

研究人員將這4種額外的合成鹼基與4種標準的天然鹼基結合在一起，稱這個8鹼基系統為「Hachimoji」，意為「八文字」（Hachi在日語中是八的意思，moji為文字）。4個合成鹼基在形狀上與4種天然鹼基相似，只是在結合模式上存在一些不同。他們進行了一系列的實驗，最後證明——合成的DNA序列與維持生命所必需的自然DNA具有相同的特性。

3.

我們可以從三個方面來了解這些合成鹼基的特性。

首先，作為一個信息存儲系統，DNA必須遵循可預測的規則。因此他們先要證明合成鹼基與普通鹼基類似，能穩定可靠地成對。他們製造了數百個合成DNA分子，發現這些合成的鹼基可以按預期規則那樣，與各自的「拍檔」穩定成對。

接著，他們發現無論合成鹼基在DNA中以何種順序排列，都能保持DNA的穩定的雙螺旋結構。他們創造了三種不同序列的合成DNA，利用X射線衍射檢測，發現這三種DNA在結晶時都維持了不變的結構。

這是非常重要的一點很重要，因為生命進化的在於DNA的變化，而若要進化能得以進行，那麼DNA序列就必須能在整體結構不遭到破壞的情況下發生變化。這是本次研究的一個重大飛躍，其他一些擴展鹼基的方法都無法維持整體結構上的穩定。在那些方法中，研究人員使用的不是以氫鍵配對的化學物質，而是用疏水分子來做鹼基。這樣的鹼基只能被間隔地安插在自然鹼基之間，如果要將它們排成一排，DNA分子的整體結構就會瓦解。

最後，研究小組證明了合成的DNA可以被如實地轉錄成RNA。這也是至關重要的一點。因為將DNA轉化為RNA是將遺傳信息轉化為蛋白質的關鍵步驟，而蛋白質是我們生命的支柱。

○ 「八文字」DNA和「八文字」RNA的8個核苷酸被設計成4個大小互補和氫鍵互補的對。| 圖片來源：[1]

4.

這項研究所取得的突破是概念性的，它清晰地表明了生命可以由不同於我們已知的那四種DNA鹼基支撐。這對我們在宇宙的其他地方搜索生命跡象具有很大的參考意義。

除了可用於尋找宇宙生命之外，這種含有額外鹼基的DNA鏈還有著很多更實際的應用。通過將鹼基種類的數量增加到8個，DNA序列的多樣性將大大增加，所能存儲的遺傳信息也將大大增多。除了信息存儲之外，含有8種鹼基的DNA還能更具體地與特定的目標結合。例如在之前的研究中，Benner的研究小組就發現含有Z和P的DNA鏈，比只含有標準的四鹼基DNA鏈能更好的與癌細胞結合。

這是第一次展示含有8種不同鹼基字母的DNA，這非常了不起，這是一個令人興奮的起點。但與此同時，要實現一個真正的「八字母「合成基因系統，或許還有很長的路要走。例如在實際應用中，研究人員需要提高RNA複製和轉錄的準確性和效率。Benner的研究團隊還在開發更多的新的鹼基對，這為創造出含有給更多鹼基字母的DNA提供了可能。

參考來源：

[1] http://science.sciencemag.org/content/363/6429/884/tab-figures-data

[2] https://www.nature.com/articles/d41586-019-00650-8

[3] https://www.livescience.com/64829-hachimoji-dna.html

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！