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堿基。從理論上看，這些擴展出的合成堿基也可用于支撐生命。

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種天然堿基，并無什么特殊的魔力。

其實，科學家從很久以前就開始思考是否只有這4種堿基才能成為構成生命的基礎，他們嘗試將更多的堿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”的堿基。自那之后，許多不同的研究小組也相繼開展了這類研究。

那么新的研究有什么特別之處呢？它首次系統性地證明了，非自然堿基也能像自然堿基那樣相互識別與結合，并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堿基的分子結構，創造出了這些合成堿基。

我們知道，DNA的堿基配對是源于堿基之間有氫鍵形成：每一個堿基的氫原子，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堿基，其中一對被命名為B和S，另一對名為P和Z。

○ 全新的8堿基遺傳系統的結構。四種天然的堿基分別是G(綠色)、A(紅色)、C(藍色)和T(黃色)，四種合成的堿基分別是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種額外的合成堿基與4種標準的天然堿基結合在一起，稱這個8堿基系統為“Hachimoji”，意為“八文字”（Hachi在日語中是八的意思，moji為文字）。4個合成堿基在形狀上與4種天然堿基相似，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，最后證明——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。

我們可以從三個方面來了解這些合成堿基的特性。

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堿基與普通堿基類似，能穩定可靠地成對。他們制造了數百個合成DNA分子，發現這些合成的堿基可以按預期規則那樣，與各自的“拍檔”穩定成對。

接著，他們發現無論合成堿基在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，因為生命進化的在于DNA的變化，而若要進化能得以進行，那么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，其他一些擴展堿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堿基。這樣的堿基只能被間隔地安插在自然堿基之間，如果要將它們排成一排，DNA分子的整體結構就會瓦解。

最后，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。

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于我們已知的那四種DNA堿基支撐。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。

除了可用于尋找宇宙生命之外，這種含有額外堿基的DNA鏈還有著很多更實際的應用。通過將堿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種堿基的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，比只含有標準的四堿基DNA鏈能更好的與癌細胞結合。

這是第一次展示含有8種不同堿基字母的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復制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堿基對，這為創造出含有給更多堿基字母的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

文章來源：原理

IEEE Spectrum

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