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突破进化瓶颈,人类终于在根基上改变了生命

2017-12-05

弗洛伊德·罗慕斯伯格(FloydRomesberg)教授是加州Scripps研究所的一名化学家。最近,从他的实验室中诞生了一类能产生绿色荧光的大肠杆菌。它们的基因组里有着全新的碱基,蛋白质中存在全新的氨基酸。与这地球上几十亿年来出现的所有生命从根源上有着截然不同。

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▲这类冒着绿色荧光的细菌有着“外星DNA”(图片来源:WilliamB.Kiosses/《自然》)

《自然》的资深专栏编辑EwenCallaway先生称,这是一种“外星DNA”。哈佛大学的GeorgeChurch教授则表示,这是“合成生物学的里程碑”。

无外乎人们对此会做出这样的反应。大家从高中课本上知道,DNA里有四种字母,它们分别是腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)、以及鸟嘌呤(G)。它们不但协助组成了DNA的双螺旋结构,还以三个字母为一组的方式,编码了20种氨基酸的密码子。这20种氨基酸则构成了生物体内蛋白质的基础。这是地球上所有生命的共通,小到细菌,大到人类,都遵循同样的一套基本法则。

然而,人类从来没有放弃过从根源上改写生命的梦想。如果大家能在DNA中引入更多不同的碱基,就能产生更多的密码子选择,从而将更多不同性质的氨基酸整合进蛋白质里,改变蛋白质的生物特性。大家不知道这对人类意味着什么,但它是一片广阔的新天地。

1989年,苏黎世联邦理工学院的史蒂文·伯纳(StevenBenner)教授在这一方面取得了突破。他的团队对胞嘧啶和鸟嘌呤的结构进行了微调,造出了两种“有趣”的DNA字母。在试管中,带有这两种“新字母”的DNA能正确复制,并和普通DNA一样,产生RNA及蛋白质。

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▲本研究的主要负责人罗慕斯伯格教授(图片来源:K.C.Alfred/《TheSanDiegoUnion-Tribune》)

罗慕斯伯格教授的团队在过去的20多年里则一直专注于带来“更有趣”的DNA字母。在普通的DNA中,配对的碱基之间通过氢键相连(伯纳教授的“新字母”也属于这一范畴),而罗慕斯伯格教授团队做出的“新字母”,依靠的则是疏水性。2014年,该团队在《自然》杂志上发文,将dNaM和d5SICS这两种人造核苷酸植入了大肠杆菌的基因组。但这些异样的DNA严重阻碍了细胞的生长,细菌也会在世代交替中,倾向于去除这些异常的DNA。

今年早些时候,该团队又在《PNAS》上发文,改进了这套体系。研究人员们用dTPT3替换了d5SICS,使细菌不那么容易对新的DNA字母产生排斥。但这些细菌与2014年的细菌一样,无法利用这些新字母来引导蛋白质合成。

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▲全新的tRNA是本研究的关键(图片来源:《自然》)

而在今日发表在《自然》杂志上的一项最新研究里,科学家们终于突破了最后的瓶颈。他们创造了一种改良过的tRNA,能识别新的DNA字母,并将两种全新的氨基酸PrK和pAzF运输到核糖体中。在那里,这两种“不自然”的氨基酸被整合进了绿色荧光蛋白中。后者的结构和功能并没有出现改变。一经激活,它能在细菌体内发出幽幽的绿光。

这是人类首次证明,活体细胞能利用自然界中不存在的碱基来合成蛋白质。

这一下子打开了新世界的大门。原本自然界中存在的四种碱基能形成4的3次方,也就是64种密码子。它们定义了20种氨基酸。而罗慕斯伯格教授团队则将能使用的碱基数一下子增加了50%,六种碱基能编码216种密码子,对应高达172种不同的氨基酸。

这代表了无限的可能。

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▲这项研究代表了合成生物学的无限可能(图片来源:《自然》)

“这就好像一个孩子跑进了糖果店,”罗慕斯伯格教授说道:“过去的20年里,这个孩子一直为进入糖果店而痴迷。突然之间,他能考虑想要什么样的糖果了。”

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