人工碱基DNA类似物的纳米孔测序技术突破：开启合成生物学信息读取新纪元

研究人员针对人工合成遗传系统ALIEN DNA（由非天然碱基P/Z/S/B组成）缺乏高效测序方法的难题，开发了基于MspA纳米孔的单分子实时测序技术。通过构建4-mer模型和可变电压检测，首次实现对全人工碱基DNA的从头测序（74%单读准确率），为合成生物学、超密数据存储及外星生命探测提供了通用型分子信息读取工具。成果发表于《Nature Communications》。

　　

在生命科学领域，DNA的A/C/G/T四碱基编码系统长期被视为不可撼动的"生命语言"。然而随着合成生物学的发展，科学家们已成功构建出由完全人工碱基组成的遗传系统——ALIEN DNA（Alternative Isoinformational ENgineered DNA）。这种由P、Z、S、B四种非天然碱基组成的DNA类似物，通过氢键和尺寸互补形成正交碱基对（Z:P和S:B），不仅能模拟天然DNA的双螺旋结构，还具有更高的熔解温度和生物正交性，在药物开发、分子诊断和纳米材料组装中展现出巨大潜力。

然而，传统测序技术依赖天然碱基的化学识别机制，无法直接读取ALIEN DNA的信息。虽然通过"转译"策略可间接检测稀疏分布的人工碱基，但对于连续人工碱基序列则束手无策。这一技术瓶颈严重制约了人工遗传系统的开发应用。为突破这一限制，华盛顿大学（University of Washington）的Christopher A. Thomas团队与Firebird Biomolecular Sciences合作，创新性地将纳米孔测序技术应用于全人工碱基DNA的读取。

研究采用单分子纳米孔测序技术平台，核心包括：1）构建含256种4-mer组合的de Bruijn序列训练集；2）利用MspA纳米孔可变电压检测（200Hz三角波）增强信号分辨率；3）通过Hel308解旋酶控制DNA单链的逐步移位（3'→5'）；4）建立隐马尔可夫模型进行序列解码。实验使用12条含28nt人工碱基区的寡核苷酸链，在400mM KCl/10mM HEPES（pH8.0）体系中采集数据。

研究结果部分显示：

Sequencing a DNA analog composed of artificial bases

通过构建4-mer离子电流特征图谱（

），团队成功区分四种人工碱基的电信号差异。其中P/Z因结构稳定被准确识别（90%），而存在互变异构的B碱基错误率较高（37%）。

De novo sequencing accuracy

对4条测试序列的单次读取平均准确率达74±1%（

），优于随机预测（57%），与天然DNA测序水平（79%）相当。多重序列比对可将共识序列准确率提升至81%。

Consensus sequences

通过整合多分子读取数据（

），系统误差被有效校正，证明纳米孔技术对人工碱基的检测具有可重复性。

该研究首次实现全人工碱基DNA的从头测序，其重要意义体现在三方面：技术层面，证明纳米孔测序可泛化至任意遗传字母系统；应用层面，为ALIEN DNA适配体（aptamer）的定向进化提供检测工具；理论层面，为地外生命可能使用的非标准遗传系统建立检测范式。正如作者指出，这项技术将加速"超密数据存储"和"分子诊断"等应用发展，并为搜寻非地球化学生命提供方法论支持。

局限在于当前训练数据集较小（仅12条寡核苷酸），且Hel308解旋酶在连续C-糖苷碱基（S/Z）区域的持续合成能力有待优化。未来通过扩大训练库规模、开发专用解旋酶或采用1D²测序策略，有望将准确率提升至临床应用标准。这项突破标志着合成生物学进入"可设计-可合成-可读取"的全链条发展阶段，为遗传信息的多元化编码开辟了新航道。