Science发布生物工程壮举：让DNA碱基从4个变成8个

地球上的所有生命都使用的是基于四个核苷酸的遗传密码。现在，科学家创造了八个。

　　

生物通报道：伴随了我们几十亿年的4种A、G、C、T遗传密码子组成了世界上有机体的DNA，但一项最新研究显示，科学家将遗传密码子核苷酸从四种扩充到了八种，这些核苷酸的外观和行为与天然的核苷酸相似，甚至可以转录成RNA。

这一研究成果公布在2月21日的Science杂志上，研究人员表示，这种被称为“hachimoji”系统能存储天然核苷酸两倍的信息，未来也许能应用到合成生物学等多个领域。更重要的是，这一扩增的遗传密码系统可为能支持生命的更大、更复杂的分子结构提供新的线索。

来自西北大学的Michael Jewett（未参与该项研究）评论道：“这真是一篇令人兴奋的论文……真正的生物工程壮举。它增加了DNA和RNA构建模块的数量，大大扩展了核酸的信息密度。”

 “这提出了一个重要问题：在生命起源的时候，为什么是这四种核苷酸构建了生命密码子？为什么不能是八种，或者其它的数量呢？”

构成生命化学蓝图的基因密码

在过去的40亿年间，只有鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C），以及腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T），或者对于RNA来说的尿嘧啶（U），这些构成了大自然创造地球上无穷无尽的生命所需要的一切。

但是领导这项研究的Steven Benner博士认为，理论上还能有更多。比如嘌呤（G或A）通过氢键与嘧啶（C，T或U）连接时形成碱基对，还有其他嘌呤和嘧啶型结构可以假设连接产生与标准DNA相同的螺旋结构。

Benner已经计算出，由八种新型结构形成的总共四个额外的氢键合碱基对是可能的。他说，DNA从根本上并没有完全利用其结构限制。“因此，DNA分子可以扩展……你实际上可以添加更多的字母”。

之前，Benner研究组已经合成了两种核苷酸：Z和P，并证明了将它们加入到DNA中，也可以在体外复制和转录。现在，他的团队增加了另外一对碱基——S和B.

Hachimoji DNA

研究人员将化学合成的新核苷酸整合到双链寡核苷酸（也含有G，A，T，C，Z和P）中，然后检测分子的熔解温度，结果发现观察到的熔解温度平均在预测值的2.1℃内，这也是标准DNA寡核苷酸的误差范围。

“这项研究证明你可以将DNA的碱基翻倍，并且具有可预测化学特性，我认为这是一项具有里程碑意义的成就，”Scripps研究所的Floyd Romesberg说（未参与该项研究）。

从化学上讲，hachimoji DNA的外观和行为与标准DNA相似。然而，找到读取和处理核酸的酶却很难，因此为了将hachimoji DNA转录成RNA，研究人员尝试了许多噬菌体RNA聚合酶变体，最终他们发现了一个。

利用这种RNA聚合酶，研究小组转录了一种已知RNA适配体的hachimoji版本，并加入了特定的荧光团。果然，转录的hachimoji RNA按预期发光了。

这种制作功能性RNA的能力“在RNA生物技术领域开辟了许多可能性，”卡迪夫大学的生物化学家Nigel Richards（未参与该项研究）说。他解释说，RNA可以是催化分子，所以“能有更多的官能团，可以不同的靶标分子进行不同类型的相互作用……增加催化范围。”

Hachimoji DNA甚至可以与基于不同碱基配对的其他类型人工核苷酸结合，从而进一步提高功能性。

（生物通：万纹）

原文标题：

S. Hoshika et al., “Hachimoji DNA and RNA: A genetic system with eight building blocks,” Science, 363:884–87, 2019.