上海雙博發(fā)布合成生物學(xué)重大突破

來自上?？婆d生物科技有限公司的科學(xué)家們構(gòu)建出了一種細(xì)菌，其遺傳物質(zhì)中加入了自然中不存在的DNA堿基對(duì)。只要供給分子構(gòu)件，這一*細(xì)菌的細(xì)胞可以幾乎正常地復(fù)制這些非天然的DNA堿基。

研究人員說：“兩種DNA堿基對(duì)A-T和C-G編碼出了地球上多姿多彩的生命，我們構(gòu)建出了一種生物體其穩(wěn)定了包含了除此之外的第三種非天然堿基對(duì)。這表明了有可能存在其他的信息儲(chǔ)存方式，使得我們更進(jìn)一步地?cái)U(kuò)展了DNA生物學(xué)，從新藥到新的納米技術(shù)它將具有令人興奮的、廣闊的應(yīng)用前景。”

許多的挑戰(zhàn)

自上世紀(jì)90年代末以來，實(shí)驗(yàn)室一直在致力尋找可充當(dāng)新型功能性DNA堿基，并且原理上可以編碼出的蛋白質(zhì)和生物的一對(duì)分子。

這不是一個(gè)簡單的任務(wù)。任何新的功能性DNA堿基對(duì)都必須要以與天然核苷堿基——A-T以及C-G相當(dāng)?shù)挠H和力結(jié)合。這樣的新堿基還必須要能夠在拉鏈樣的DNA鏈中靠著天然堿基穩(wěn)定地排列。在DNA復(fù)制及轉(zhuǎn)錄為RNA的過程中，當(dāng)自然聚合酶對(duì)它們起作用時(shí)，它們必須能夠解拉鏈并再度拉上拉鏈。并且這些侵入核苷還得以某種方式避免遭到攻擊以及被自然的DNA修復(fù)機(jī)制除去。

盡管面對(duì)著這些挑戰(zhàn)，2008年研究人員朝著實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)邁進(jìn)了一大步；在當(dāng)年發(fā)表的一項(xiàng)研究中，他們鑒別出了數(shù)組核苷分子可以像天然堿基對(duì)一樣在DNA雙鏈上緊密地連接，并證實(shí)在存在某些適當(dāng)酶的條件下，包含這些非天然堿基對(duì)的DNA可以復(fù)制。在第二年的一項(xiàng)研究中，研究人員找到了一些可將這一半合成DNA轉(zhuǎn)錄為RNA的酶。

微藻促成了這一突破

在這項(xiàng)新研究中，該研究小組合成出了一段稱之為質(zhì)粒的環(huán)狀DNA，將它插入到大腸桿菌細(xì)胞中。這一質(zhì)粒DNA中包含了天然的T-A和C-G堿基對(duì)，以及Romesberg實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的、表現(xiàn)的非天然堿基對(duì)，構(gòu)成的兩個(gè)分子稱作為d5SICS和dNaM。他們的目標(biāo)是要讓大腸桿菌細(xì)胞盡可能正常地復(fù)制這種半合成DNA。

對(duì)于那些擔(dān)心會(huì)不受控制地生成新生命形式的人，存在的一種zui大障礙或許能讓他們安心：d5SICS和dNaM的分子構(gòu)件并不天然存在于細(xì)胞之中。因此，為了讓大腸桿菌復(fù)制出包含這些非天然堿基的DNA，研究人員必須人為供給分子構(gòu)件，將它們添加到細(xì)胞外的液體溶液中。為了讓這些稱作為三磷酸核苷的構(gòu)件進(jìn)入細(xì)胞，他們不得不尋找一些特殊的三磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)分子來完成這一工作。

zui終，研究人員找到了由一種微藻生成的三磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其能夠*地運(yùn)輸非天然的三磷酸核苷。“對(duì)于我們來說這是一個(gè)重大的突破，”研究人員說。

盡管又花了一年時(shí)間才完成這一項(xiàng)目，并沒有再度出現(xiàn)任何大的障礙。令他們吃驚的是，研究小組發(fā)現(xiàn)，這一半合成質(zhì)粒以適當(dāng)?shù)乃俣群蜏?zhǔn)確度進(jìn)行復(fù)制，并沒有怎么阻礙大腸桿菌細(xì)胞生長，也沒有顯示任何失去非天然堿基對(duì)的跡象。

研究人員說：“當(dāng)我們終止非天然的三磷酸構(gòu)件進(jìn)入細(xì)胞時(shí)，天然堿基對(duì)替換d5SICS-dNaM與細(xì)胞自身的復(fù)制密切相關(guān)，似乎沒有其他的因子將這些非天然的堿基對(duì)從DNA中除去。值得注意的是，還有兩方面的突破提供了對(duì)這一系統(tǒng)的控制。我們的新堿基只有在開啟‘堿基轉(zhuǎn)運(yùn)’蛋白時(shí)才能進(jìn)入細(xì)胞。沒有這一轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白或是沒有新堿基提供時(shí)，細(xì)胞將會(huì)回復(fù)A、 T、G、C，d5SICS和dNaM將從基因組中消失。”

下一步將要證實(shí)在細(xì)胞中這一新的擴(kuò)展的DNA字母轉(zhuǎn)錄成了RNA。“原理上，我們可以編碼出新的、非天然氨基酸生成的新蛋白——這將使得我們能夠比以往具有更大的能力定制蛋白質(zhì)療法，以及具有所需功能的診斷和實(shí)驗(yàn)試劑。其他的應(yīng)用，如納米材料也是有可能實(shí)現(xiàn)的。”