哈佛华裔牛人教授Nature子刊公布新技术

　　

生物通报道  科学家们或许很快就能够借助生物学中最强有力的一种力量——进化来帮助他们探索开发出新的合成聚合物。

在发表于近期《自然化学》（Nature Chemistry）杂志上的一篇论文中，哈佛大学化学和化学生物学教授David Liu领导一个研究小组，开发出了一种利用遗传物质编码生成合成聚合物的新方法。这种方法可能最终用于演变（evolve）出具有新性能的合成聚合物，或是改善它们作为化学反应催化物的性能，或增强它们的治疗潜能。

David Liu据称是一位从来没有做过博士后的年轻教授，他早年毕业于哈佛大学，1999年在加州大学伯克利校区攻读博士学位，在Peter Schultz教授指导下从事核糖核酸研究，并自主首次开始活细胞遗传密码的研究。之后就被哈佛大学任命为助教授，2004年晋升为教授。David Liu教授曾被麻省理工学院技术评论列入全球Top 100 青年发明家（35岁以下），“大众科学”亦将其列入全美Top10最具才气的青年科学家。

David Liu 说：“聚合物这个词意思相当的含糊，在生物学中，像DNA、RNA和蛋白质这样的大分子是最常见的聚合物。这些聚合物具有一些不同寻常的特性。相比之下，我们制造具有特定性质人造聚合物的能力更加有限。其部分原因在于我们还没有办法演变出合成聚合物——这正是我们想要着手解决的问题。”

其他的研究人员曾设法利用遗传密码来生成合成聚合物，然而由于新分子要求必须与生成它们的遗传模板相似，他们的工作因此受阻。

为了解决这一问题，David Liu和同事们转而借助了一个与自然界中发生的相类似的过程。

并没有让新聚合物的构件与DNA模板直接互作，该系统依赖于一种“接头”（ adapter）分子。研究人员让每个接头带上聚合物的一部分，然后将这些接头与模板结合，形成新的聚合物。在这一过程的最后一步，这些接头被除掉，留下了依照遗传材料制造出的一个合成聚合物。

David Liu 说：“该系统一个有趣的特点是，通过这一系统生成的合成聚合物不需要与DNA模板存在任何的结构关系。系统中与DNA碱基结合的部分是接头分子，它被完全从模板上除去。整个策略极大程度上借鉴了自然界中的蛋白质合成。在蛋白质合成过程中，tRNA分子与一条信使RNA链结合，它们携带的氨基酸连接到一起就形成了蛋白质。”

在理论上，新合成化合物一旦以遗传模板指定的一种方式生成，它就可以“演变”出一些从基本原理出发不可能在实验室设计得出来的独特性质。

David Liu 举例说明，假如你想生成一种合成分子，使其能够在存在一种与癌症相关的蛋白质的情况下，或是葡萄糖水平过高时，开启一种特异基因表达。你或许一开始会通过探讨当前的研究来寻找一些线索，了解如何构建这样一种分子。你可能会利用你的化学知识着手确定分子可能的样子。但对于这样复杂的分子目标，这些努力不过是良好教育下的一些猜想。

David Liu说，进化的力量让实现这样雄心勃勃的目标变得更为可能。

“能够非常特异地结合某一分子，生成一种生物学反应，这样的任务听上去可能不是很难，但对于从零开始的聚合物科学家而言，却非常的困难。相比于简单猜测应该如何装配具有这些特性的一种分子，进化是一种比较强有力的方法。”

“自然可以通过数百万代半随机尝试新事物，每一代将最成功的策略中的分子秘密传递给下一代。由于进化是迭代的，任何一代小的进步都可以遗传下来，发展成后来的重大成功。”

David Liu说，他的下一个目标是利用这一系统演变出能够完成越来越复杂事情的合成聚合物，从将它们折叠成结构化的三维形状开始，然后转至根据生物医学或化学兴趣结合特异的分子，最后分析化学反应。

“还没有任何的合成聚合物被真正演变出来，我们希望这一系统能朝着实现这一目标迈出第一步，”他说。

这样的研究为降低大量药物和化合物的制造成本开启了大门，还有可能帮助科学家们解答长期以来关于生命本质的问题。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Enzyme-free translation of DNA into sequence-defined synthetic polymers structurally unrelated to nucleic acids

The translation of DNA sequences into corresponding biopolymers enables the production, function and evolution of the macromolecules of life. In contrast, methods to generate sequence-defined synthetic polymers with similar levels of control have remained elusive. Here, we report the development of a DNA-templated translation system that enables the enzyme-free translation of DNA templates into sequence-defined synthetic polymers that have no necessary structural relationship with nucleic acids. We demonstrate the efficiency, sequence-specificity and generality of this translation system by oligomerizing building blocks including polyethylene glycol, α-(D)-peptides, and β-peptides in a DNA-programmed manner. Sequence-defined synthetic polymers with molecular weights of 26 kDa containing 16 consecutively coupled building blocks and 90 densely functionalized β-amino acid residues were translated from DNA templates using this strategy. We integrated the DNA-templated translation system developed here into a complete cycle of translation, coding sequence replication, template regeneration and re-translation suitable for the iterated in vitro selection of functional sequence-defined synthetic polymers unrelated in structure to nucleic acids.