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2019-3-11 12:49

DNA 是一种复杂的分子,它储存和传递着地球上几乎所有生命体的遗传信息。复杂的 DNA 其实只有四种碱基排列组合而成,分别为鸟嘌呤、胞嘧啶、腺嘌呤和胸腺嘧啶,通常用字母 G、C、A 和 T 表示。四种不同类型碱基的排列组合,就如同计算机语言中的“0”和“1”一样,储存着地球上所有生命的遗传信息。

但是现在,研究人员通过将 4 种人工合成的碱基,与天然存在的四种核苷酸结合,创造出由 8 种碱基组成的 DNA 分子,命名为“hachimoji”(在日语中 hachi 代表 8,moji 代表符号),并且能够像天然 DNA 一样存储和转录信息。

图 | 仍合成的新型 DNA 分子结构,使用了天然 DNA 的四种碱基 (绿色、红色、蓝色、黄色),以及四种新的人工碱基 (青色、粉色、紫色、橙色)(来源:印第安纳大学医学院)

这项 2 月 22 日发表在《科学》杂志上的研究,由佛罗里达州阿拉库阿应用分子进化基金会创始人史蒂文·本纳领导的研究小组进行。研究同时指出,从理论上讲,一个扩大化的基因字母表也可以支持生命。

这一史无前例的壮举表明,除了我们在地球上所知道的基于 DNA 的生命之外,可能在宇宙中还存在一些其他的生命基因系统。研究人员同时表示,由于人工合成的 hachimoji 分子信息存储能力是天然 DNA 的两倍,因此可能会有无数的应用。

正常情况下,当一对 DNA 链以双螺旋的形式缠绕在一起时,每条 DNA 链上的碱基成对存在:A 和 T 成键,C 和 G 成键。

很长一段时间以来,科学家们一直试图在这个遗传密码中加入更多种类的碱基。例如,Benner 在 20 世纪 80 年代首次创造了“非自然”的碱基,其他研究小组也紧随其后。2014 年,Romesberg 的实验室在活体细胞中植入了一对非自然的碱基,成为当时的重磅新闻。

但最新的研究首次系统性地证明,互补的非自然碱基能够相互识别并结合,它们形成的双螺旋结构保持着稳定的结构。

“生命探测是 NASA 行星科学任务的一个日益重要的目标,这项新工作将帮助我们开发有效的仪器和实验,扩大我们寻找的范围。”NASA 行星科学部代理主任洛里·格莱斯 (Lori Glaze) 说。

(来源:anomalien.com)

NASA 的目标之一是在火星、欧罗巴和土卫二等其他星球上寻找生命,这些外星天体曾经有流水和厚厚的大气层,或者存在厚厚的冰层和巨大的海洋。如果这些世界的生命不使用我们熟悉的 DNA 作为遗传物质呢?我们怎么能认出来他们呢?

Benner 说:“通过仔细分析 hachimoji DNA 中形状、大小和结构功能,这项工作扩展了我们对可能在外星生命中存储信息的分子类型的理解。”

由此话题延伸到非碳基生命,则我们又会进入到一个更宏大的命题。科研人员或幻想家对于地外生命的物质组成提出过众多的设想,其中最被提及的就是“硅基生命”。所谓硅基生命,即以含有硅以及硅的化合物为主的物质构成的生命。最早由波茨坦大学的天体物理学家儒略申纳 (Julius Sheiner) 于 1891 年在他的一篇文章中提出。当然,除了硅基生命,硼基生命、金属生命体等热门概念也常常出现在科幻作品之中。

但回归到当下,在其他星球上发现的异质结构的一种方法,是先尝试在地球上创造一些异质的东西。从化学上讲,hachimoji DNA 的外观和行为都与标准 DNA 相似。然而,读懂和处理 DNA 的酶是很难被欺骗的,因此,为了将 hachimoji DNA 转录到 RNA 中 (一种对其信息传递能力的测试),研究小组尝试了许多噬菌体 RNA 聚合酶变体,直到他们发现其中一种能够完成这项任务。

利用这种 RNA 聚合酶,研究小组成功地利用 hachimoji DNA 转录出 RNA 分子。研究人员还发现,无论合成碱基的排列顺序如何,双螺旋结构都保持稳定。这一点很重要,因为生命要进化,DNA 序列必须能够在不破坏整个结构的情况下变化。

而这项研究成果表明,科学家们有望创造出比天然标准的四种碱基更好的 DNA 序列或 RNA,从而实现超越现有基因信息存储的功能。

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