今日Nature重磅：突破进化瓶颈，人类终于在根基上改变了生命
2017/11/30 学术经纬

    

     药明康德/报道

     弗洛伊德·罗慕斯伯格(Floyd Romesberg)教授是加州Scripps研究所的一名化学家。最近，从他的实验室中诞生了一类能产生绿色荧光的大肠杆菌。它们的基因组里有着全新的碱基，蛋白质中存在全新的氨基酸。与这地球上几十亿年来出现的所有生命从根源上有着截然不同。

    

     ▲这类冒着绿色荧光的细菌有着“外星DNA”(图片来源：William B. Kiosses / 《自然》)

     《自然》的资深专栏作者Ewen Callaway先生称，这是一种“外星DNA”。哈佛大学的George Church教授则表示，这是“合成生物学的里程碑”。

     无外乎人们对此会做出这样的反应。我们从高中课本上知道，DNA里有四种字母，它们分别是腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)、以及鸟嘌呤(G)。它们不但协助组成了DNA的双螺旋结构，还以三个字母为一组的方式，编码了20种氨基酸的密码子。这20种氨基酸则构成了生物体内蛋白质的基础。这是地球上所有生命的共通，小到细菌，大到人类，都遵循同样的一套基本法则。

     然而，人类从来没有放弃过从根源上改写生命的梦想。如果我们能在DNA中引入更多不同的碱基，就能产生更多的密码子选择，从而将更多不同性质的氨基酸整合进蛋白质里，改变蛋白质的生物特性。我们不知道这对人类意味着什么，但它是一片广阔的新天地。

     1989年，苏黎世联邦理工学院的史蒂文·伯纳(Steven Benner)教授在这一方面取得了突破。他的团队对胞嘧啶和鸟嘌呤的结构进行了微调，造出了两种“有趣”的DNA字母。在试管中，带有这两种“新字母”的DNA能正确复制，并和普通DNA一样，产生RNA及蛋白质。

    

     ▲本研究的主要负责人罗慕斯伯格教授(图片来源：K.C. Alfred / 《The San Diego Union-Tribune》)

     罗慕斯伯格教授的团队在过去的20多年里则一直专注于带来“更有趣”的DNA字母。在普通的DNA中，配对的碱基之间通过氢键相连(伯纳教授的“新字母”也属于这一范畴)，而罗慕斯伯格教授团队做出的“新字母”，依靠的则是疏水性。2014年，该团队在《自然》杂志上发文，将dNaM和d5SICS这两种人造核苷酸植入了大肠杆菌的基因组。但这些异样的DNA严重阻碍了细胞的生长，细菌也会在世代交替中，倾向于去除这些异常的DNA。

     今年早些时候，该团队又在《PNAS》上发文，改进了这套体系。研究人员们用dTPT3替换了d5SICS，使细菌不那么容易对新的DNA字母产生排斥。但这些细菌与2014年的细菌一样，无法利用这些新字母来指导蛋白质合成。

    

     ▲全新的tRNA是本研究的关键(图片来源：《自然》)

     而在今日发表在《自然》杂志上的一项最新研究里，科学家们终于突破了最后的瓶颈。他们创造了一种改良过的tRNA，能识别新的DNA字母，并将两种全新的氨基酸PrK和pAzF运输到核糖体中。在那里，这两种“不自然”的氨基酸被整合进了绿色荧光蛋白中。后者的结构和功能并没有出现改变。一经激活，它能在细菌体内发出幽幽的绿光。

     这是人类首次证明，活体细胞能利用自然界中不存在的碱基来合成蛋白质。

     这一下子打开了新世界的大门。原本自然界中存在的四种碱基能形成4的3次方，也就是64种密码子。它们定义了20种氨基酸。而罗慕斯伯格教授团队则将能使用的碱基数一下子增加了50%，六种碱基能编码216种密码子，对应高达172种不同的氨基酸。

     这代表了无限的可能。

    

     ▲这项研究代表了合成生物学的无限可能(图片来源：《自然》)

     “这就好像一个孩子跑进了糖果店，” 罗慕斯伯格教授说道：“过去的20年里，这个孩子一直为进入糖果店而痴迷。突然之间，他能考虑想要什么样的糖果了。”

     点击文末“阅读原文”，即可访问原始论文页面。

     参考资料：

     [1] A semi-synthetic organism that stores and retrieves increased genetic information

     [2] ‘Alien’ DNA makes proteins in living cells for the first time

    

    

    http://weixin.100md.com
返回 学术经纬 返回首页 返回百拇医药