哈佛大学最新研究发现一种全新的DNA，它不是由4种碱基构成，而是8种

2019-02-28 08:40:27来源：新浪科技综合

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生命个体可以说是一个复杂而庞大的化学系统，为了维持生命的延续生命也在不断自我演化。而演化的基础就是DNA了，DNA用4个碱基的排列组合完整地保存着遗传信息，并利用RNA至蛋白的方法进行解码，构筑起整个生命体的基础结构。这种DNA的4碱基模式被认为是生命的基本存在形式，但是DNA只有4种碱基才能存在吗?Science上的最新文章给出了答案：8种碱基的DNA也能存在。

哈佛大学带头的科学团队报道了一种全新的DNA，它不是由4种碱基构成，而是8种。当然这种全新的DNA不是自然界产生的，而是由科学家合成出来的，其被称作hachimoji DNA(在日语中hachi代表8，moji代表符号)。这种8碱基的DNA可以正常支持生命体的活动，就像4碱基DNA一样。其结构也能按照预期进行碱基配对，并转录成RNA并指导蛋白质合成。

在生物学的研究中，最关键也离不开的就是遗传信息，无论是储存、传递还是演化，都影响着包括人类在内的所有生命体的生存。现代生物学已经发现遗传信息的载体就是DNA，双螺旋的结构上连接着同样大小的脱氧核糖核苷酸碱基，两条链相对应的碱基用氢键紧密结合。

物理学家薛定谔认为，这种稳定的DNA结构得益于碱基大小刚好合适，可以让其构建成“非周期性晶体”(Aperiodic Crystal)。一般常见物质都是由周期性晶体构成，组合出来的是一个没有生命现象的物理世界，如同马赛克地板，虽然好看却没有生气;而非周期性晶体(好似不规则凸多面体)可以组成千姿百态的生命体世界，出现生命现象。

薛定谔认为非周期性晶体保证了DNA分子信息的储存能力和无误的信息破解能力，并且它保证了DNA序列上碱基出现变化时不会直接对整个DNA结构产生破坏性的影响。南加州大学的分子生物学家Myron F。 Goodman在上世纪末就已经证明，氢键并不是必需的。而碱基的大小统一非常重要。这让科学家开始创造碱基类似物，并将其混入到双螺旋、体外核酸链以及活细胞中。7年前，科学家就已经把基因编码碱基从4种提升至6种。

第二代6碱基DNA

我们的高中都学过，DNA就是4个碱基A、T、G、C(腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤、胞嘧啶)组成的。在65年前，沃森和克里克发现DNA双螺旋后就随后证实，它们按照A-T，G-C的两种方式进行组合。2012年，美国斯克利普斯研究所的合成生物学家Floyd E。 Romesberg就创造出了第三对DNA碱基组合，它称其为5SICS-NaM。他检测了在这对新碱基加入后DNA的效率和保真性，发现能达到99.9%。

这也打开了DNA碱基合成生物学的大门，时隔2年，Romesberg就将这个6碱基系统导入了大肠杆菌中。意外地是，细菌对这种外来的新碱基并不排斥，相反它们还将其当做DNA组件，完成了双螺旋构建。为了简化碱基的名称，Romesberg将其定义为X-Y碱基，其表示，尽管只多了两个碱基，细胞可以合成的氨基酸数目就将从20种变成172种。

第三代8碱基DNA

在当年Romesberg的6碱基系统释出时，Steven A。 Benner称赞其这是“巨大的成就”，“更新了自然的规则”。6个碱基的系统，在利用氢键进行双链连接后，DNA同样可以完整地进行复制，并且能够完成生物学的基础PCR实验。这激起了Benner极大地兴趣，他提出一个问题，DNA双螺旋的分子极限在哪里?变成8个碱基后是不是还能维持薛定谔的非周期性晶体结构?

5年后，Benner与多个单位合作给出了答案。他开发出了8碱基系统，他将新增的碱基命名为Z-P和S-B碱基，它们与天然的碱基一样可以进行一一对应，并利用氢键结合。来自印第安纳大学医学院的研究团队展示了8碱基DNA的晶体结构，“新的DNA晶体结构完整，保持了正确的碱基配对，同时没有丢失天然DNA的关键性特征。”Millie Georgiadis表示。

G （绿色）， A（红色）， C （暗蓝色）， T （黄色）， B （青色）， S （粉色）， P （紫色）， and Z （橙色）

G (绿色)， A(红色)， C (暗蓝色)， T (黄色)， B (青色)， S (粉色)， P (紫色)， and Z (橙色)

来自得克萨斯州大学奥斯汀分校的Andrew Ellington制造了一种转录酶，成功地将hachimoji DNA转录成了RNA。在地球上，在演化的初期遗传信息都是以RNA形式储存，这一过程中生物也不断地修饰RNA组成的碱基，来让RNA完成一些催化功能。在有了4个碱基的组合后，地球生命选择了利用RNA合成蛋白质来完成大部分细胞功能，而转向更稳定的DNA进行遗传信息储存。

人造的外星生命?

Ellington回答了一个非常有意思的问题，那就是其他星球上是否能合成8碱基的DNA?他给我们构造了一个全新的世界，在这个世界中生命体有了4个碱基后并没有转向蛋白质，而是继续进行修饰更新，最后产生了更多的可用碱基。Ellington 说，“我认为8碱基DNA系统不可能凭空在细菌里自我组装出现，而是DNA-RNA-蛋白质这一中心过程共同完成合作进化而来，其他星球的生命是可能完成这项工作的。”

在去年，NASA就曾投入大量资金资助相关科学家找寻外星生命，在搜寻了木卫二、火星、土卫六都无果后，Benner就提出，外星生命更有可能出现在地球的实验室。“目前来说，hachimoji DNA还不能说是外星生命，”Benner解释道，“因为生命系统应该能完成自我延续。”而现在hachimoji DNA 系统还需要人为地添加碱基和蛋白质维持功能。离开实验室，hachimoji DNA 也是无法生存的。

现在Benner也尝试利用它对一些其他分子进行追踪和绑定，可以明确地是，hachimoji DNA能够在培养皿中自动追寻和结合到肝癌细胞和乳腺癌细胞上。下一步，Benner正计划将其改造成“癌细胞猎手”，专门搜寻癌组织和病毒。

8碱基系统并不是Benner最终极的目标，他目前还在规划一对新组合K-X碱基，他想朝着10碱基系统迈进。碱基越多，就意味着密码子的组合更多，这也能为计算机信息储存提供新方向。DNA可以储存多少信息，hachimoji DNA就能储存2倍的信息量。Ellington认为这或许这能成为“密码基因组学”的开端。“更多的碱基组合意味着你能完成更大，更好，更稳定的数据库。”

新技术出现后总是无法避免公众的质疑，多碱基系统同样如此，总会有公众担心科学家是不是又创造了毁灭地球的怪物。Benner认为这是夸大其词，hachimoji DNA离开实验室后并不会有何作为，更不会吃掉你家养的小孩。但是其对生物医学贡献的潜力不容小觑，从目前的表现来看，hachimoji DNA很有可能成为监测疾病和病毒的新型药物，因此不但不会对你的小孩有威胁，反倒在将来可能成为保护他们的新工具。

来源：环球科学

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