Nature里程碑成果：第一次用全新的DNA碱基在活细胞中制造蛋白

　　生物通报道：在过去的几十亿年里，生命体所采用的DNA“语言”十分贫乏，现在来自Scripps研究所的一组研究人员打破了常规，给生物学有限的词典中增加了新的“字母”——Floyd Romesberg等人在大肠杆菌细菌细胞的DNA中，加入了两种外源化学碱基，之后细胞再将这些非天然氨基酸插入到荧光蛋白中，完成了活细胞DNA转录与蛋白翻译。

这一重要的合成生物学成果公布在11月29日（美国时间）的Nature杂志上。

腺嘌呤（A），胸腺嘧啶（T），胞嘧啶（C）和鸟嘌呤（G）组成了我们生命机体中天然的遗传编码信息。这些碱基对构成了DNA双螺旋结构，多种不同的三字母序列密码子又编码了活细胞中所有蛋白质的20个氨基酸。而这项最新的成果第一次表明非天然的碱基对也能在活细胞中制造蛋白。

Romesberg说，这一成就表明合成生物学可以通过重新创造生命中最基本的组成部分，来实现其目标，“没有任何生物系统比遗传信息存储和检索更基础，与我们的关系更密切了。这项研究就是设计了行使已有部件功能的一个新元件，并且能完成它们所做的所有工作。”

（非天然碱基对制造出绿色荧光蛋白）

全新的DNA碱基

生命机体中有四种天然DNA碱基，它们可以以64种不同的三字母组合排列，用于翻译成氨基酸，这被称为密码子。但是这种密码子存在冗余，例如CGC，CGA，CGG和CGT都代表着精氨酸，这意味着几乎所有生命所需的蛋白质实际上只是由20个氨基酸组成的。

目前许多研究人员都在尝试扩充这个密码子列表，哈佛医学院遗传学家George Church等人就是研究利用冗余密码子生成新的氨基酸。 但Romesberg研究小组采用的是一个不同的策略：在DNA中增加一个全新的碱基对。这将大大增加可能的密码子数量，理论上令细胞可利用的非天然氨基酸超过100个。

对此Church表示，虽然他认为自己的方法实用性更强，但这项研究是“探索生命基石”的一项里程碑成果。

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，希望找到可以编码出前所未有的蛋白质。

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具有相当的结合亲和力。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。

尽管存在这么多挑战，2008年Romesberg等人朝着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。2014年，Romesberg等人取得了一项突破：他们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：d5SICS和dNaM（分别称为X和Y）。

然而，虽然大肠杆菌可以在基因编码里容纳这种碱基对，但在分裂时会丢失。随着时间延长，XY碱基对逐渐减少，这使得它们无法充分发挥出DNA中额外信息的作用。

在之前研究的基础上，今年Romesberg研究小组在PNAS上发文，宣布首次完成了一个稳定的半合成生命体。他们更进一步，创造出了一个新的细菌，这个细菌的基因编码里不仅包含天然的4个碱基，还包含了两个人造碱基（X和Y）。经过三年的努力，Romesberg等人构建出的这个体系中，大肠杆菌不容易拒绝外来DNA（在这个版本中，d5SICS被类似形状的化学物质dTPT3所取代）。但是这个菌株还是无法利用这个新的密码子。

稳定的新碱基半合成生物体

在最新研究中，研究小组创造出了一种健康的细胞，可以利用外源DNA制造蛋白，结果显示，细胞可以将两种非天然氨基酸（称为PrK和pAzF）插入蛋白中，发出绿色荧光。

这项研究的关键在于研究人员研发出了一种新版本的tRNA，因此实现了非天然密码子的翻译，但这种新的氨基酸并没有改变绿色荧光蛋白的形状或功能。Romesberg表示起码“现在我们可以储存和检索信息了”，这一研究团队也表示在未发表的部分工作中，他们已经将一对外源碱基对插入到抗生素耐药性基因的关键位点中，令耐药性细菌重新对青霉素相关药物产生感应。

更多的研究

目前Romesberg已经创立了自己的生物技术公司：Synthorx，他们希望能将非天然氨基酸插入基于蛋白质的药物中，例如调节白细胞数量的IL-2。这种方法可以用来设计更容易被细胞吸收的药物，或者毒性更低或者分解更快的药物。也可以设计常规氨基酸并不具备特质的蛋白，比如吸引电子。

苏黎世联邦理工学院的Steven Benner和新加坡生物工程与纳米技术研究所的生物化学家Ichiro Hirao也已经研发出了利用外源DNA编码非天然氨基酸的试管系统。但是Hirao也表示活细胞具有优势，在细菌细胞中，含有非天然氨基酸的蛋白质可以在更大规模和更便宜的条件下制造，将这一技术引入到真核细胞也可以开发新的抗体药物。

但是Benner也提出，由于Romesberg的系统依赖于相对较弱的疏水力将外源碱基对组合在一起，因此在工业应用上的潜力可能是有限的。Benner说，细胞可以容忍稀有的外源基因，但是“无法建立起一个完整的遗传系统”。

Romesberg等人现在还在进一步扩大他们的遗传“字母表”。到目前为止，这一团队已经确定了另外12个含X和Y功能性密码子，但“还有很多事情要做”，Romesberg说。

（生物通：万纹）

原文标题：

Y. Zhang et al., “A semi-synthetic organism that stores and retrieves increased genetic information,” Nature, doi:10.1038/nature24659, 2017.