四個鹼基能構成多少種dna（不止四個天然鹼基）

2023-05-02 13:59:08

幾十億年前，四個分子(指A、G、C、T四個鹼基)旋轉跳躍，構成了優雅的DNA雙螺旋結構，為我們星球提供了生命密碼。但是，這四種分子真的是生命出現的基礎嗎?或者說，還有其他方法也可以構成我們的遺傳密碼?

2月20日發表在《科學》(Science)雜誌上的一項新研究證明了後一種說法：科學家最近將一種新型DNA塑造成雙螺旋結構，發現它也具有生命支持的特性。

如果說天然存在的DNA是一個短篇故事，那麼這個合成DNA就有託爾斯泰的小說那麼長。

研究人員使用了4個額外的分子(除了G、C、A、T外的另外四個)來製作合成DNA，這樣對應的產物就含有一個由8個字母組成的編碼，而不是4個字母。隨著字母的增加，DNA存儲信息的能力更強。在日語中，科學家將這種新的DNA稱為「hachimoji」——即「八字母」DNA。之前不同研究小組用六個字母創造出了類似的DNA，這次研究是對其的擴展。

編寫遺傳密碼

天然DNA由四種分子組成，稱為含氮鹼基，它們彼此配對形成地球上的生命密碼：A與T配對;G與C配對。除了這四個天然鹼基外，「八字母」DNA包還包括另外四個合成的核苷酸鹼基：P、B、Z以及S。

該研究小組由美國各地幾個不同的團隊組成。研究人員用天然和合成的核苷酸鹼基對的不同組合創造了數百個這樣的「八字母」雙螺旋結構。然後，他們進行了一系列的實驗，看看不同的雙螺旋結構是否具有支持生命所需的特性。

天然DNA具有其他遺傳分子所沒有的顯著特徵：穩定而且可預測。這意味著研究人員可以精確預測其在特定溫度和環境下的行為，包括何時會降解。

但事實證明，「八字母」DNA也可以這樣。研究人員可以找出一套規則來預測這種DNA在不同溫度下的穩定性。

生命的要求

這次發現認為添加四個合成鹼基後仍然可以得到「可預測和可設計的遺傳密碼……是史無前例的。」加州斯克裡普斯研究所(Scripps Research)的化學教授弗洛伊德·羅默斯伯格(Floyd Romesberg)說道。他沒有參與這項研究，但是他之前發表過關於「六字母」DNA的研究。這篇「裡程碑式的論文」確實表明G、C、A和T「並不是唯一的」構成DNA的鹼基，羅默斯伯格繼續道。

資深作者史蒂文·本納(Steven Benner)是佛羅裡達的應用分子進化基金會的傑出研究員，他同意這個觀點。如果在宇宙的其他地方，生命也是由DNA編碼的，他們的DNA就不會「和我們在地球上所擁有的完全一樣。」本納說道，「在實驗室進行這類實驗，以了解(可能存在的)其他結構，這大有裨益。」

但是本納指出，創造的DNA僅具有儲存信息的功能還不夠，它還必須能夠將這些信息傳遞給它的「姐妹」RNA，這樣RNA就可以指導蛋白質在生物體中完成所有的工作。

考慮到這一點，研究人員開發了一種合成酶(屬於蛋白質)來催化促進反應的進行，從而成功地將「八字母」DNA複製到了「八字母」RNA中。此外，他們發現該RNA分子能夠摺疊成L形，這對於進一步傳遞信息十分必要。

此外，DNA鏈必須能夠扭成相同的三維結構——即著名的雙螺旋結構。

該研究團隊創建了三個「八字母」DNA的晶體結構，每個都包括不同的八個鹼基對序列。他們發現實際上每個結構都形成了典型的雙螺旋結構。

本納說道，儘管如此，為了讓「八字母」DNA支持生命，還要滿足第五個要求，即這個DNA需要自我維持或有獨立生存的能力。然而，為了防止這種分子成為一種生物危害，有朝一日可能會進入地球上生物的基因組，研究人員決定到此為止，不繼續這一步的研究。

不斷擴大的字母表

除了一瞥浩瀚宇宙中生命的替代品，這條由八個字母組成的DNA鏈在我們星球上也有應用。本納說，這種由八個字母組成的「遺傳字母表」將能儲存更多的信息，並且可以更明確地與特定目標相結合。例如，可能用「八字母」DNA與肝癌細胞或炭疽毒素結合，或將其用於加速化學反應。

「通過將字母的數量從6個增加到8個，DNA序列的多樣性大大增加。」新加坡生物工程與納米技術研究所(Institute of Bioengineering and nano)的合成分子生物學家Ichiro Hirao在一封電子郵件中說道(Hirao的團隊參與了此次研究，在之前的研究中創造了6個字母的DNA鏈)。

當然，Hirao在一封電子郵件中說，「這只是第一次展示」8個字母的DNA雙螺旋結構，在實際應用中，我們需要提高DNA複製並轉錄到RNA的準確性和效率。他認為最終他們可能會發現更多的字母來合成DNA。