Nature发布合成生物学重大突破

　　

生物通报道  来自斯克里普斯研究所(TSRI)的科学家们构建出了一种细菌，其遗传物质中加入了自然中不存在的DNA碱基对。只要供给分子构件，这一独特细菌的细胞可以几乎正常地复制这些非天然的DNA碱基（延伸阅读：3月王牌聚焦：合成生物学的春天）。

该研究的领导者、TSRI副教授Floyd E. Romesberg 说：“两种DNA碱基对A-T和C-G编码出了地球上多姿多彩的生命，我们构建出了一种生物体其稳定了包含了除此之外的第三种非天然碱基对。这表明了有可能存在其他的信息储存方式，使得我们更进一步地扩展了DNA生物学，从新药到新的纳米技术它将具有令人兴奋的、广阔的应用前景。”

这一突破性的成果在线发表在5月7日《自然》（Nature）杂志上。

许多的挑战

自上世纪90年代末以来，Romesberg和他的实验室一直在致力寻找可充当新型功能性DNA碱基，并且原理上可以编码出前所未有的蛋白质和生物的一对分子。

这不是一个简单的任务。任何新的功能性DNA碱基对都必须要以与天然核苷碱基——A-T以及C-G相当的亲和力结合。这样的新碱基还必须要能够在拉链样的DNA链中靠着天然碱基稳定地排列。在DNA复制及转录为RNA的过程中，当自然聚合酶对它们起作用时，它们必须能够解拉链并再度拉上拉链。并且这些侵入核苷还得以某种方式避免遭到攻击以及被自然的DNA修复机制除去。

尽管面对着这些挑战，2008年Romesberg和同事们朝着实现这一目标迈进了一大步；在当年发表的一项研究中，他们鉴别出了数组核苷分子可以像天然碱基对一样在DNA双链上紧密地连接，并证实在存在某些适当酶的条件下，包含这些非天然碱基对的DNA可以复制。在第二年的一项研究中，研究人员找到了一些可将这一半合成DNA转录为RNA的酶。

但这项工作是在简易的试管环境中进行。“这些非天然的碱基对能够在体外极好地起作用，然而让它们在更为复杂的活体细胞环境中运作却是一个重大的挑战，”论文的主要作者、Romesberg实验室成员Denis A. Malyshev说。

微藻促成了这一突破

在这项新研究中，该研究小组合成出了一段称之为质粒的环状DNA，将它插入到大肠杆菌细胞中。这一质粒DNA中包含了天然的T-A和C-G碱基对，以及Romesberg实验室发现的、表现最好的非天然碱基对，构成的两个分子称作为d5SICS和dNaM。他们的目标是要让大肠杆菌细胞尽可能正常地复制这种半合成DNA。

对于那些担心会不受控制地生成新生命形式的人，存在的一种最大障碍或许能让他们安心：d5SICS和dNaM的分子构件并不天然存在于细胞之中。因此，为了让大肠杆菌复制出包含这些非天然碱基的DNA，研究人员必须人为供给分子构件，将它们添加到细胞外的液体溶液中。为了让这些称作为三磷酸核苷的构件进入细胞，他们不得不寻找一些特殊的三磷酸转运分子来完成这一工作。

最终，研究人员找到了由一种微藻生成的三磷酸转运蛋白，其能够极好地运输非天然的三磷酸核苷。“对于我们来说这是一个重大的突破，”Malyshev说。

尽管又花了一年时间才完成这一项目，并没有再度出现任何大的障碍。令他们吃惊的是，研究小组发现，这一半合成质粒以适当的速度和准确度进行复制，并没有怎么阻碍大肠杆菌细胞生长，也没有显示任何失去非天然碱基对的迹象。

Malyshev 说：“当我们终止非天然的三磷酸构件进入细胞时，天然碱基对替换d5SICS-dNaM与细胞自身的复制密切相关，似乎没有其他的因子将这些非天然的碱基对从DNA中除去。值得注意的是，还有两方面的突破提供了对这一系统的控制。我们的新碱基只有在开启‘碱基转运’蛋白时才能进入细胞。没有这一转运蛋白或是没有新碱基提供时，细胞将会回复A、 T、G、C，d5SICS和dNaM将从基因组中消失。”

下一步将要证实在细胞中这一新的扩展的DNA字母转录成了RNA。“原理上，我们可以编码出新的、非天然氨基酸生成的新蛋白——这将使得我们能够比以往具有更大的能力定制蛋白质疗法，以及具有所需功能的诊断和实验试剂。其他的应用，如纳米材料也是有可能实现的，”Romesberg说。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文索引：

Other contributors to the paper, "A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet," were Kirandeep Dhami, Thomas Lavergne and Tingjian Chen of TSRI, and Nan Dai, Jeremy M. Foster and Ivan R. Corrêa Jr. of New England Biolabs, Inc.