合成生物学大突破,科学家创造人工半合成生命

11月29日,世界顶级学术期刊《自然》发表了一篇关于人造生命的文章,介绍了美国斯克里普斯研究所的科研工作者们利用研发的两种非天然的碱基,将DNA的碱基种类拓展到了六种,并用它们创造了一个半合成的生物并利用该生物成功转录翻译了蛋白质的事情。

据悉这项研究由该所化学系教授Floyd Romesberg领衔研发, Romesberg教授的研究领域涉及有机化学、微生物学和遗传学,是国际核酸化学生物学领域著名科学家,近年来在《自然》等国际顶级学术期刊发表论文160余篇。

这次的研究成果建立在Romesberg教授20多年的研究基础之上,早在上世纪90年代末, Romesberg教授就开始寻找新的DNA分子碱基对,在他的设想中这种碱基对要可以编码以前从未存在的蛋白质和生物。

合成生物学大突破,科学家创造人工半合成生命

但这项工作并不简单,要在DNA中加入新的碱基对,那么新的碱基对就必须要与四种天然的脱氧核苷酸A和T、C和G之间具有极高的亲和力,而且在DNA的复制过程中还要不被DNA的天然修复机制给清除掉,这其中的困难可想而知。

2008年的时候,Romesberg教授和团队成员从三千多个核苷酸分子组合中筛选出了一组分子,它们可以和天然碱基对一样在DNA的双链上链接,而且这些半合成的DNA还可以在酶的作用下进行复制。

2009年,Romesberg教授带领团队找到了能够将这种半合成DNA转录成RNA的酶,向人工定制蛋白质和生物迈进了一大步,但该成果是在特定环境中进行的,真实的细胞环境比这个要复杂得多,更大的挑战还在后面。

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时光荏苒,一晃眼时长来到了2014年,Romesberg教授的研究取得了阶段性重大突破,利用d5SICS和dNAM这两个分子作为非天然碱基对合成了一段环状DNA—质粒,并将其插入大肠杆菌体内,创造了一个具有人工碱基对遗传信息的半合成生物体。

虽然这些人工碱基对在大肠杆菌的体内的遗传并不是很稳定,但在同年,Romesberg教授和其团队还是在加州圣迭戈成立了一家名为Synthorx的公司,希望能用扩展后的遗传密码子来创造出新的蛋白质做药物,用于疾病治疗。

而在今年,Romesberg教授团队用dTPT3分子代替了d5SICS分子,形成了dNaM—dTPT3的碱基组合,并分别将它们命名为X和Y碱基。这不仅解决了人工碱基对的遗传稳定问题,还能使大肠杆菌将这些信息遗传给子细胞。

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随着遗传信息稳定性的解决,Romesberg教授团队通过编码遗传信息,使大肠杆菌被重新设计的DNA分子成功转录成RNA并被翻译成了绿色荧光蛋白的变体。

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尽管这其中的变化很小,但意义却很大,是人类合成生物史上的第一次,也证明了非天然核苷酸遗传信息可以被解码成天然氨基酸和非天然氨基酸。

以前,4个DNA碱基能编码20个氨基酸,而随着X和Y的加入,预示着生物体可以编码多达152个新的氨基酸,Romesberg教授用这些遗传密码子来创造新药的愿望很可能成为现实。

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除此之外,在此实验中,X、Y碱基的部分被设计具有疏水性,只能相互配对,排斥具有氢键的天然碱基。这也很可能揭示了在DNA解码过程中氢键的作用没有以往科学家认为的重要,毕竟没有氢键的X、Y碱基被成功转录和翻译了。

也许有人会担心这种细菌会逃逸到自然界中,对人类和自然界造成难以想象的恶果。Romesberg教授表示,由于该细菌无法在不添加特定物质的情况下自身合成X、Y碱基,所以这种半合成生命体无法再实验室以外存活。

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可以说,随着新的实用碱基的加入,6个碱基将极大的拓展可以编码的遗传信息,更多的氨基酸、蛋白质将会出现,为未来的医药、材料等行业提供丰富的可能性。而在生物安全领域,被改造的生物也将会被更好的控制在实验室内,避免泄露危害自然界。

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