► 除瞭ATCG能存儲遺傳信息外，還有其他的遺傳密碼嗎？圖片來自http://synthorx.com
撰文 | 葉水送
責編 | 陳曉雪
知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual
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在生命科學高強度滲透以及多方位的普及下，很少人不知道基因、DNA是什麼。基因是DNA鏈上一段可編碼蛋白的堿基序列，由A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、C（胞嘧啶）和G（鳥嘌呤）四種密碼子組成，其中A與T配對，C與G配對，形成一條長長的遺傳密碼片段。
地球上物種豐富多樣，形態各異，忠實地記錄著由4種核苷酸（ATCG）組成的遺傳信息。除瞭這四種堿基之外，有沒有其他的可存儲生命遺傳信息的物質？對於這個問題，早在上世紀60年代，就有科學傢感興趣，並猜想遺傳信息的存儲，是否會更加豐富多樣。
直到最近幾年才有一些重要進展開始出現。
► 新發現的兩種堿基與自然狀態下的A-T比較，圖片來自nature
2014年，斯克利普斯研究所化學系教授Floyd Eric Romesberg與其團隊成員在試管中發現瞭一種新的堿基復制方式。通過在大腸桿菌的基因序列中植入兩個新堿基dNaM–dTPT3，可形成半人工合成生命。近年來，圍繞著人造堿基方面的工作，他和同事發表瞭一系列重要的工作。
11月30日，Romesberg及其團隊又有瞭新的重要發現，他們發現非自然狀態下的堿基能夠植入大腸桿菌的基因組中，產生半人工生命體，其可以通過轉錄、翻譯非自然狀態下的氨基酸，合成蛋白質的效率和天然核苷酸並無差距。相關研究發表在最新一期的Nature雜志上。
► 在核糖體上非自然狀態下的基因編碼，表達出非標準的氨基酸，圖片來自http://scripps.edu
“人造堿基的研究發展至今已有近 30 年的歷史，它又被稱為非天然堿基對或人工擴展堿基字母，是一種通過對堿基的改造，人工設計合成的可以行使或模擬天然核酸功能、而又具有相對獨立性的人造 DNA 。”中國科學院北京基因組研究所“百人計劃”學者陳非對該研究做瞭解讀。
陳非研究員表示，“2014年，Romesberg研究小組成功構建瞭包含一對人造堿基（dNaM–dTPT3）的人工合成細菌，首次成功實現人造堿基對的體內復制，這一裡程碑式的工作發表於Nature上，並被Science雜志列為當年十大科學突破之一。本研究在上述研究的基礎上更進一步，Romesberg研究小組借助人工合成的反密碼子GYT（Y為非天然核苷酸TPT3）的 tRNA 的幫助，成功實現瞭非天然堿基X（dNaM）的體內翻譯。本研究以綠色熒光蛋白為非天然堿基體內翻譯的報告基因，在其151位氨基酸密碼子中摻入瞭一個人工堿基X（AXC），合成並使用瞭3種人工合成的包含人工堿基反密碼子的tRNA（分別源於E.coli, Methanosarcina mazei, Methanococcus jannaschii的tRNA序列），均實現瞭人工堿基的高效內源表達，且不影響細菌的正常生長。”
目前，陳非研究員正從事合成生命遺傳系統設計與構建、重大疾病基因組學及相關核酸分子精準檢測、診斷技術等方面的研究，他曾師從現代合成生物學聯合創始人Steven A Benner教授。
► 半人工合成大腸桿菌敲入一個非自然狀態的遺傳密碼，表達出綠色熒光蛋白，圖片來自http://scripps.edu
Romesberg認為，半合成生命體能夠儲存、復制非自然狀態下的遺傳信息，未來可被用來創造新的新的蛋白質，新的材料，甚至新的治療方法。對於藥物的開發以及其他有用的分子來說，半合成人工生命體同樣也會有幫助。
也許有人會擔憂，未來可能會造出完全不由ATCG組成的、由其他遺傳密碼組成的人工生命體。Romesberg強調，目前這項研究僅在單細胞（如大腸桿菌）等低等生物中進行實驗，僅用它們來存儲遺傳信息。
對於這項研究，陳非給予瞭高度評價，“這無疑是人工合成生命領域的一次革命性的突破，它的成功打通瞭人造堿基的體內復制、轉錄、翻譯生命中心法則的主要環節，為構建穩定遺傳的人工合成生命遺傳系統翻開瞭新的一頁。這既是‘生命工程化’的一次有益的嘗試，也是‘從頭合成生命系統’領域的一次革命，對化學合成生物學研究領域的發展也會起到極大的推動促進作用，並可能為合成生物學開辟出一條新的、更安全的別樣健康發展之路。”
► 這項研究的第一作者和Romesberg，圖片來自http://scripps.edu
► Romesberg教授曾在TED演講：Expanding the genetic alphabet。
值得一提的是，Romesberg於2016年由河南師范大學推選，入選有機化學學科的“長江學者獎勵計劃”講座教授名單，並成為該校首位入選“長江學者獎勵計劃”的專傢。
參考資料
Zhang Y. et al. A semi-synthetic organism that stores and retrieves increased genetic information. 2017. Nature. doi:10.1038/nature24659.
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