Romesberg說(shuō)，這一成就表明合成生物學(xué)可以通過(guò)重新創(chuàng )造生命中最基本的組成部分，來(lái)實(shí)現其目標，“沒(méi)有任何生物系統比遺傳信息存儲和檢索更基礎，與我們的關(guān)系更密切了。這項研究就是設計了行使已有部件功能的一個(gè)新元件，并且能完成它們所做的所有工作?！?/span>
（非天然堿基對制造出綠色熒光蛋白）
全新的DNA堿基
生命機體中有四種天然DNA堿基，它們可以以64種不同的三字母組合排列，用于翻譯成氨基酸，這被稱(chēng)為密碼子。但是這種密碼子存在冗余，例如CGC，CGA，CGG和CGT都代表著(zhù)精氨酸，這意味著(zhù)幾乎所有生命所需的蛋白質(zhì)實(shí)際上只是由20個(gè)氨基酸組成的。生物通 www.ebiotrade.com
目前許多研究人員都在嘗試擴充這個(gè)密碼子列表，哈佛醫學(xué)院遺傳學(xué)家George Church等人就是研究利用冗余密碼子生成新的氨基酸。 但Romesberg研究小組采用的是一個(gè)不同的策略：在DNA中增加一個(gè)全新的堿基對。這將大大增加可能的密碼子數量，理論上令細胞可利用的非天然氨基酸超過(guò)100個(gè)。
對此Church表示，雖然他認為自己的方法實(shí)用性更強，但這項研究是“探索生命基石”的一項里程碑成果。
許多的挑戰
自上世紀90年代末以來(lái)，Romesberg和他的實(shí)驗室一直在致力尋找可充當新型功能性DNA堿基，希望找到可以編碼出前所未有的蛋白質(zhì)。
這不是一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)。任何新的功能性DNA堿基對都必須要以與天然核苷堿基——A-T以及C-G具有相當的結合親和力。這樣的新堿基還必須要能夠在拉鏈樣的DNA鏈中靠著(zhù)天然堿基穩定地排列。在DNA復制及轉錄為RNA的過(guò)程中，當自然聚合酶對它們起作用時(shí)，它們必須能夠解拉鏈并再度拉上拉鏈。并且這些侵入核苷還得以某種方式避免遭到攻擊以及被自然的DNA修復機制除去。
盡管存在這么多挑戰，2008年Romesberg等人朝著(zhù)這一目標邁進(jìn)了一大步；在當年發(fā)表的一項研究中，他們鑒別出了數組核苷分子可以像天然堿基對一樣在DNA雙鏈上緊密地連接，并證實(shí)在存在某些適當酶的條件下，包含這些非天然堿基對的DNA可以復制。在第二年的一項研究中，研究人員找到了一些可將這一半合成DNA轉錄為RNA的酶。
但這項工作是在簡(jiǎn)易的試管環(huán)境中進(jìn)行。2014年，Romesberg等人取得了一項突破：他們合成出了一段稱(chēng)之為質(zhì)粒的環(huán)狀DNA，將它插入到大腸桿菌細胞中。這一質(zhì)粒DNA中包含了天然的T-A和C-G堿基對，以及Romesberg實(shí)驗室發(fā)現的、表現最好的非天然堿基對：d5SICS和dNaM（分別稱(chēng)為X和Y）。
然而，雖然大腸桿菌可以在基因編碼里容納這種堿基對，但在分裂時(shí)會(huì )丟失。隨著(zhù)時(shí)間延長(cháng)，XY堿基對逐漸減少，這使得它們無(wú)法充分發(fā)揮出DNA中額外信息的作用。
在之前研究的基礎上，今年Romesberg研究小組在PNAS上發(fā)文，宣布首次完成了一個(gè)穩定的半合成生命體。他們更進(jìn)一步，創(chuàng )造出了一個(gè)新的細菌，這個(gè)細菌的基因編碼里不僅包含天然的4個(gè)堿基，還包含了兩個(gè)人造堿基（X和Y）。經(jīng)過(guò)三年的努力，Romesberg等人構建出的這個(gè)體系中，大腸桿菌不容易拒絕外來(lái)DNA（在這個(gè)版本中，d5SICS被類(lèi)似形狀的化學(xué)物質(zhì)dTPT3所取代）。但是這個(gè)菌株還是無(wú)法利用這個(gè)新的密碼子。
穩定的新堿基半合成生物體
在最新研究中，研究小組創(chuàng )造出了一種健康的細胞，可以利用外源DNA制造蛋白，結果顯示，細胞可以將兩種非天然氨基酸（稱(chēng)為PrK和pAzF）插入蛋白中，發(fā)出綠色熒光。
這項研究的關(guān)鍵在于研究人員研發(fā)出了一種新版本的tRNA，因此實(shí)現了非天然密碼子的翻譯，但這種新的氨基酸并沒(méi)有改變綠色熒光蛋白的形狀或功能。Romesberg表示起碼“現在我們可以?xún)Υ婧蜋z索信息了”，這一研究團隊也表示在未發(fā)表的部分工作中，他們已經(jīng)將一對外源堿基對插入到抗生素耐藥性基因的關(guān)鍵位點(diǎn)中，令耐藥性細菌重新對青霉素相關(guān)藥物產(chǎn)生感應。
更多的研究
目前Romesberg已經(jīng)創(chuàng )立了自己的生物技術(shù)公司：Synthorx，他們希望能將非天然氨基酸插入基于蛋白質(zhì)的藥物中，例如調節白細胞數量的IL-2。這種方法可以用來(lái)設計更容易被細胞吸收的藥物，或者毒性更低或者分解更快的藥物。也可以設計常規氨基酸并不具備特質(zhì)的蛋白，比如吸引電子。
蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Steven Benner和新加坡生物工程與納米技術(shù)研究所的生物化學(xué)家Ichiro Hirao也已經(jīng)研發(fā)出了利用外源DNA編碼非天然氨基酸的試管系統。但是Hirao也表示活細胞具有優(yōu)勢，在細菌細胞中，含有非天然氨基酸的蛋白質(zhì)可以在更大規模和更便宜的條件下制造，將這一技術(shù)引入到真核細胞也可以開(kāi)發(fā)新的抗體藥物。
但是Benner也提出，由于Romesberg的系統依賴(lài)于相對較弱的疏水力將外源堿基對組合在一起，因此在工業(yè)應用上的潛力可能是有限的。Benner說(shuō)，細胞可以容忍稀有的外源基因，但是“無(wú)法建立起一個(gè)完整的遺傳系統”。
Romesberg等人現在還在進(jìn)一步擴大他們的遺傳“字母表”。到目前為止，這一團隊已經(jīng)確定了另外12個(gè)含X和Y功能性密碼子，但“還有很多事情要做”，Romesberg說(shuō)。
（本文轉載生物通）
