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[探索频道] 生命的DNA字母被翻倍了!这意味着什么?

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 楼主| 发表于 2019-2-24 17:38 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

几十亿年前,4种旋转、跳跃于我们的地球上的分子,像是突然有了意志一般,以我们至今仍难以设想的方式优雅地组成了DNA双螺旋结构,为我们星球上的生命提供了遗传密码。这4种物分子分别是腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶,我们通常用A、G、C、T这四个字母来分别表示这4种天然碱基。在正常情况下,当两条DNA链以双螺旋的形式缠绕在一起时,每条链上的碱基会相互成键配对:A对T,C对G。

现如今,一篇最新发表在《科学》期刊上的研究表明,这种生命的组成成分已经从4个变成了8个!科学家成功地创造出了也能对遗传信息进行存储与转录的合成碱基。从理论上看,这些扩展出的合成碱基也可用于支撑生命。这是一项里程碑式的成果。因为它从侧面表明,与地球上的生命进化息息相关的4种天然碱基,并无什么特殊的魔力。

1.

其实,科学家从很久以前就开始思考是否只有这4种碱基才能成为构成生命的基础,他们尝试将的碱基添加到遗传密码中。早在20世纪80年代,领导了这次研究的化学家Stee Benner就首次创造出了“非自然”的碱基。自那之后,许多不同的研究小组也相继开展了这类研究。

那么新的研究有什么特别之处呢?它首次系统性地证明了,非自然碱基也能像自然碱基那样相互识别与结合,并且能形成可自我维持的稳定的双螺旋结构。研究人员通过调整普通碱基的分子结构,创造出了这些合成碱基。

我们知道,DNA的碱基配对是源于碱基之间有氢键形成:每一个碱基的氢原子,会被与它们对应的“拍档”身上的氮原子或氧原子吸引。通过调整这些分子,研究人员发现了几对新的碱基,其中一对被命名为B和S,另一对名为P和Z。

全新的8碱基遗传系统的结构。四种天然的碱基分别是G(绿色)、A(红色)、C(蓝色)和T(黄色),四种合成的碱基分别是B(青色)、S(粉色)、P(紫色)、Z(橙色)。 图片: Indiana Uniersity School of Medicine研究人员将这4种额外的合成碱基与4种标准的天然碱基结合在一起,称这个8碱基系统为“Hachimoji”,意为“八文字”(Hachi在日语中是八的意思,moji为文字)。4个合成碱基在形状上与4种天然碱基相似,只是在结合模式上存在一些不同。他们进行了一系列的实验,最后证明——合成的DNA序列与维持生命所必需的自然DNA具有相同的特性。

3.

我们可以从三个方面来这些合成碱基的特性。

首先,作为一个信息存储系统,DNA必须遵循可预测的规则。因此他们先要证明合成碱基与普通碱基类似,能稳定可靠地成对。他们制造了数百个合成DNA分子,发现这些合成的碱基可以按预期规则那样,与各自的“拍档”稳定成对。接着,他们发现无论合成碱基在DNA中以何种顺序排列,都能保持DNA的稳定的双螺旋结构。他们创造了三种不同序列的合成DNA,利用X射线衍射检测,发现这三种DNA在结晶时都维持了不变的结构。

这是非常重要的一点很重要,因为生命进化的在于DNA的变化,而若要进化能得以进行,那么DNA序列就必须能在整体结构不遭到破坏的情况下发生变化。这是本次研究的一个重大飞跃,其他一些扩展碱基的方法都无法维持整体结构上的稳定。在那些方法中,研究人员使用的不是以氢键配对的化学物质,而是用疏水分子来做碱基。这样的碱基只能被间隔地安插在自然碱基之间,如果要将它们排成一排,DNA分子的整体结构就会瓦解。

最后,研究小组证明了合成的DNA可以被如实地转录成RNA。这也是至关重要的一点。因为将DNA转化为RNA是将遗传信息转化为蛋白质的关键步骤,而蛋白质是我们生命的支柱。

“八文字”DNA和“八文字”RNA的8个核苷酸被设计成4个大小互补和氢键互补的对。4.

这项研究所取得的突破是概念性的,它清晰地表明了生命可以由不同于我们已知的那四种DNA碱基支撑。这对我们在宇宙的其他地方生命迹象具有很大的参考意义。

除了可用于寻找宇宙生命之外,这种含有额外碱基的DNA链还有着很多更实际的应用。通过将碱基种类的数量增加到8个,DNA序列的多样性将大大增加,所能存储的遗传信息也将大大增多。除了信息存储之外,含有8种碱基的DNA还能更具体地与特定的目标结合。例如在之前的研究中,Benner的研究小组就发现含有Z和P的DNA链,比只含有标准的四碱基DNA链能更好的与癌细胞结合。

这是第一次展示含有8种不同碱基字母的DNA,这非常了不起,这是一个令人兴奋的起点。但与此同时,要实现一个真正的“八字母“合成基因系统,或许还有很长的路要走。例如在实际应用中,研究人员需要提高RNA复制和转录的准确性和效率。Benner的研究团队还在开发的新的碱基对,这为创造出含有给碱基字母的DNA提供了可能。


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