伴隨了我們幾十億年的4種A、G、C、T遺傳密碼子組成了世界上有機(jī)體的DNA，但一項(xiàng)最新研究顯示，科學(xué)家將遺傳密碼子核苷酸從四種擴(kuò)充到了八種，這些核苷酸的外觀和行為與天然的核苷酸相似，甚至可以轉(zhuǎn)錄成RNA。

這一研究成果公布在2月21日的Science雜志上，研究人員表示，這種被稱(chēng)為“hachimoji”系統(tǒng)能存儲(chǔ)天然核苷酸兩倍的信息，未來(lái)也許能應(yīng)用到合成生物學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。更重要的是，這一擴(kuò)增的遺傳密碼系統(tǒng)可為能支持生命的更大、更復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)提供新的線索。

來(lái)自西北大學(xué)的Michael Jewett（未參與該項(xiàng)研究）評(píng)論道：“這真是一篇令人興奮的論文……真正的生物工程壯舉。它增加了DNA和RNA構(gòu)建模塊的數(shù)量，大大擴(kuò)展了核酸的信息密度。”

“這提出了一個(gè)重要問(wèn)題：在生命起源的時(shí)候，為什么是這四種核苷酸構(gòu)建了生命密碼子？為什么不能是八種，或者其它的數(shù)量呢？”

構(gòu)成生命化學(xué)藍(lán)圖的基因密碼

在過(guò)去的40億年間，只有鳥(niǎo)嘌呤（G）和胞嘧啶（C），以及腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T），或者對(duì)于RNA來(lái)說(shuō)的尿嘧啶（U），這些構(gòu)成了大自然創(chuàng)造地球上無(wú)窮無(wú)盡的生命所需要的一切。

但是領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的Steven Benner博士認(rèn)為，理論上還能有更多。比如嘌呤（G或A）通過(guò)氫鍵與嘧啶（C，T或U）連接時(shí)形成堿基對(duì)，還有其他嘌呤和嘧啶型結(jié)構(gòu)可以假設(shè)連接產(chǎn)生與標(biāo)準(zhǔn)DNA相同的螺旋結(jié)構(gòu)。

Benner已經(jīng)計(jì)算出，由八種新型結(jié)構(gòu)形成的總共四個(gè)額外的氫鍵合堿基對(duì)是可能的。他說(shuō)，DNA從根本上并沒(méi)有完全利用其結(jié)構(gòu)限制。“因此，DNA分子可以擴(kuò)展……你實(shí)際上可以添加更多的字母”。

之前，Benner研究組已經(jīng)合成了兩種核苷酸：Z和P，并證明了將它們加入到DNA中，也可以在體外復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。現(xiàn)在，他的團(tuán)隊(duì)增加了另外一對(duì)堿基——S和B.

Hachimoji DNA

研究人員將化學(xué)合成的新核苷酸整合到雙鏈寡核苷酸（也含有G，A，T，C，Z和P）中，然后檢測(cè)分子的熔解溫度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)觀察到的熔解溫度平均在預(yù)測(cè)值的2.1℃內(nèi)，這也是標(biāo)準(zhǔn)DNA寡核苷酸的誤差范圍。

“這項(xiàng)研究證明你可以將DNA的堿基翻倍，并且具有可預(yù)測(cè)化學(xué)特性，我認(rèn)為這是一項(xiàng)具有里程碑意義的成就，”Scripps研究所的Floyd Romesberg說(shuō)（未參與該項(xiàng)研究）。

從化學(xué)上講，hachimoji DNA的外觀和行為與標(biāo)準(zhǔn)DNA相似。然而，找到讀取和處理核酸的酶卻很難，因此為了將hachimoji DNA轉(zhuǎn)錄成RNA，研究人員嘗試了許多噬菌體RNA聚合酶變體，最終他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)。

利用這種RNA聚合酶，研究小組轉(zhuǎn)錄了一種已知RNA適配體的hachimoji版本，并加入了特定的熒光團(tuán)。果然，轉(zhuǎn)錄的hachimoji RNA按預(yù)期發(fā)光了。

這種制作功能性RNA的能力“在RNA生物技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)辟了許多可能性，”卡迪夫大學(xué)的生物化學(xué)家Nigel Richards（未參與該項(xiàng)研究）說(shuō)。他解釋說(shuō)，RNA可以是催化分子，所以“能有更多的官能團(tuán)，可以不同的靶標(biāo)分子進(jìn)行不同類(lèi)型的相互作用……增加催化范圍?！?/p>

Hachimoji DNA甚至可以與基于不同堿基配對(duì)的其他類(lèi)型人工核苷酸結(jié)合，從而進(jìn)一步提高功能性。

來(lái)源:生物通

原文標(biāo)題：

S. Hoshika et al., “Hachimoji DNA and RNA: A genetic system with eight building blocks,” Science, 363:884–87, 2019.