八種遺傳字母 DNA 誕生 生命遺傳系統將改寫?

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自然界所有生物體的遺傳字母包含 A(Adenine,腺嘌呤)、T(Thymine,胸腺嘧啶)、C(Cytosine,胞嘧啶)和 G(Guanine,鳥糞嘌呤)等鹼基,其中 A 與 T 配對,C 與 G 配對,並且能組成 64 種密碼子以及 20 個胺基酸,隨機組合以產生不同的生命。接著,2017 年 11月,美國 Scripps 研究所的研發團隊合成出自然界中不存在的 X-Y 鹼基對和相應的胺基酸,進而創造包含 ATGCXY 等 6 種鹼基的全新生命體。

因著科學的進步,帶給人類新的盼望和光景。近日,以佛羅里達州 Alachua 應用分子演化基金會創始人 Steven Benner 博士為首的研究團隊成功創造出由八種遺傳字母組成的雙鏈 DNA 及其合成系統,把它命名為“hachimoji”,由八和字母的日文發音“hachi”和“moji”組成,包含 ATCG 四種原本天然鹼基以及 PBZS 四個新合成鹼基,其中 Z 和 P 互相配對,以及 S 和 B 配對,它們均可無縫融入 DNA 的螺旋結構,保持其自然形狀。此外。該分子結構和功能與天然的 DNA 分子相似,可以儲存遺傳訊息,甚至被轉錄成RNA。該研究發表在《Science》期刊上。

Hachimoji DNA的八字母合成系統。Millie Georgiadis /印第安納大學醫學院動畫

該研究團隊創造出數百個合成 DNA 分子,發現八種字母能被預測地聯繫在一起,而且不管鹼基合成排列順序如何,其雙股螺旋結構都能夠保持穩定。他們也將新鹼基整合到雙鏈寡核苷酸中,然後發現該分子的氫鍵斷裂形成單鏈分子的平均溫度在預測值的 2.1℃ 以內,與標準 DNA 寡核苷酸的誤差範圍類似,具可預測的熱力學穩定性。然後,他們以三種不同 Hachimoji DNA 寡核苷酸高解析度晶體結構分析證實其結構的相似性。

雖然 Hachimoji DNA 的外觀和表現與標準 DNA 相似。然而,前者是很難騙過生物體內能夠讀懂和處理核酸的相關酶。因此,他們嘗試從許多噬菌體 RNA 聚合酶變體中,找出一種能幫助 Hachimoji DNA 轉錄成 RNA 的關鍵 RNA 聚合酶。然後他們發現,利用該 RNA 聚合酶將結合能發出螢光的 RNA 片段的 Hachimoji DNA 轉錄後的 Hachimoji RNA 也能夠發出螢光。

產生功能性 Hachimoji RNA 的能力為 RNA 生物技術領域開闢了許多可能性。RNA 能作為催化分子,所以使用新型核苷酸鏈,則可以產生更多官能團,它們能與目標分子進行不同類型的交互作用,並且增加催化範圍。Hachimoji DNA 甚至能與其他不同鹼基對的人工合成核苷酸相互結合,進而進一步提升其功能。Benner 博士表示,他們將盡快在活細胞中試用其 Hachimoji。

值得思考的是,遺傳字母的增加是否會使 DNA 及生物體變得更好?在理論上,將會有更多的生命訊息誕生,或者可望將自然界中不存在的全新分子應用於製造新材料、診斷疾病或開發新藥。此外,6 個字母有 256 個密碼子,8 個字母有 4096 種密碼子 。因此,未來除非有人創造出能夠閱讀 Hachimoji 密碼子以及合成出具有新功能的合成蛋白質的細胞機器,否則該研究幾乎毫無意義。

延伸閱讀:顛覆雙股螺旋! 人類活體細胞首見四聯體 DNA

參考文獻:
1. Nature. vol 551, p 644–647 ,30 Nov 2017.
2. Science. Vol 363, p 884-887, 22 Feb 2019.
3. https://www.wired.com/story/doubling-our-dna-building-blocks-could-lead-to-new-life-forms/

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