如何解讀 11 月 30 日 Nature 發表的合成生物學新突破「半合成生物體」？

01-15

《自然》雜誌11月29日發表 A semi-synthetic organism that stores and retrieves increased genetic information
將兩種人工合成鹼基（X和Y）表達在大腸桿菌中，其可以完成複製、轉錄和翻譯產生非經典氨基酸，由此製造了「半合成生物體」。研究表明這種半合成大腸桿菌合成蛋白質的效率和野生型差別不大。George Church教授認為其是

milestone in exploring the fundamental building blocks of life

相關問題：
利用「非天然核苷酸」的「半合成生命體」可以帶來哪些應用？
12.1 新增：

「非天然鹼基對」的引入對理解鹼基互補配對有何意義？
歡迎大家繼續討論~

謝邀。

大家不要猜了，不用氫鍵配對的非天然鹼基，是因為基於氫鍵配對的非天然候選鹼基對還不成熟，有各種各樣的問題沒法用，主要是保真性等方面不夠高【1】。不是大家腦補的為了做「外星生命」，為了「生物安全」，為了……這種研究沒有大家想得那麼容易，想用什麼就用什麼，一般是什麼能用用什麼。找了幾十年，好不容易找到又能複製又能轉錄還不容易錯配的就趕緊用了，基於疏水作用的這壺水先開了，就提了這壺。

Long-standing efforts to develop two synthetic nucleotides that form a third, unnatural base pair (UBP) have recently yielded three promising candidates, one based on alternative hydrogen bonding, and two based on hydrophobic and packing forces.

【1】

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確實是合成生物學一項喜人的工作，是對之前非天然核酸研究的一項後續成果。和過去的研究比，比較亮眼的地方在於：非天然鹼基有了自己對應的tRNA，並且在細胞內實現了表達。

至於攜帶哪種氨基酸則是講故事的需要了，顯然非天然核酸編碼非天然氨基酸，可以更加「非天然」。

但是不得不說，從合成生物學角度，基因表達產物中非天然氨基酸的加入固然需要非天然的編碼系統，但是非天然的核苷酸的意義卻遠遠不應該局限於編碼非天然氨基酸。因為密碼子的簡併性，實際上表達非天然氨基酸所需要的密碼子庫本來就是潛在冗餘的。我不認為這種系統的主要意義在非天然氨基酸的引入和應用上。雖然在現在這種發展階段，用非天然鹼基編碼非天然氨基酸是最直接的應用，「變現最快」。

這種系統還有什麼意義呢？

很多人都提到了基礎研究領域的意義，比如擴展了進化留下來的鹼基庫，有了人造的遺傳信息編譯途徑，這方面的意義還可以發揮很多，比如「人造生命」啊，「人類要當上帝」之類，都是媒體套路。既然讓我來答，我從未來應用潛力和實際科學意義角度來寫一點。

1、高正交的基因工程系統

合成生物學和基因工程里有一個繞不開的話題就是正交性。所謂正交，通常指人工構建的遺傳系統和宿主或工作背景（cell free）之間發生非預期相互影響的程度。

這個問題實際上困擾所有基因工程工作特別是定量生物學、合成生物學工作。因為區別於傳統基因工程，合成生物學側重對生物系統定量描述基礎上的通用平台搭建，一個行為不可預測或可預測性不高的基因工程裝置對合成生物學而言是失敗的。而正交性問題是這種失敗的重要來源，宿主細胞的環境與人工基因線路之間的各種複雜的相互作用使得目前我們還不可能做到100%預測一條基因線路在各種條件下的行為。比如，即使是在細菌中最簡單的（啟動子-RBS-GFP-終止子）這樣一個轉錄單位，細胞的生長狀態（時期）、使用的培養基種類、培養條件等等都可以輕易改變細胞內的GFP水平，啟動子與其它轉錄因子之間非特異性的相互作用也可以造成不可預測的轉錄水平變化。

非天然核酸的一大意義可能是在未來構建一套和宿主本身的遺傳系統「互不干擾」的系統。要開發出專用的非天然核酸聚合酶、tRNA、甚至核糖體。從而讓人工的遺傳系統儘可能少與細胞內的非人工系統「公用」資源。這樣可以有效提高人工基因線路的正交性。

2、更加安全的基因治療工具

這個應用潛力實際上基於上一條。一個高正交的系統不但自身的定量屬性更好，對其它遺傳系統造成的影響也更加可控。還是上面那個例子，一個有著全套專用資源的非天然鹼基遺傳系統，對宿主細胞本身的正常生命活動干擾也會更小。

以基因治療為例，直接把DNA分子帶入人類細胞的一大風險，在於可能發生的非特異重組和對細胞生命活動的干擾。而非天然鹼基在這個方面更有優勢，當然，目前非天然鹼基和DNA鹼基之間的「親緣關係」還太近了。假設未來，非天然鹼基可以獨立形成一套遺傳系統，在不需要天然DNA、RNA的情況下表達特定蛋白質，那麼顯然這種「人工基因」被用於基因治療的安全性就會有所提升。

3、基於核酸的生物感測器的新來源

生物感測器是只利用生物大分子探測特定物質或理化指標的工具。過去，基於核酸的感測器已經有不少了。特別是通過SELEX技術篩選RNA分子，可以與各種物質特異性結合，已經有了一些喜人的成果，比如熒光RNA等。

將類似的分子進化技術用於非天然鹼基也可以得到類似的效果，而非天然鹼基本身與DNA鹼基、RNA鹼基在理化性質上的差別可能可以提供更多更高效的生物感測器。

最後介紹一下這個方向未來的趨勢。

可以預見，以目前合成生物學屆普遍浮躁的大躍進氛圍，這篇文章後面跟著一大波賣噱頭的成果，比如將某種核苷酸替換為非天然核苷酸的基因或基因組。然後大吹一番「人造生命」。

我個人認為從學術價值和應用角度真正值得關注的後續，在現階段只有兩個：

1、基於非天然鹼基的密碼子工程（特異的、高正交的密碼子編碼系統）

2、非天然鹼基核酸的相應酶工程（特異性聚合酶、核糖體）

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註：本來在答案中把這種DNA稱為Xeno nucleic acid（異種核酸，xeno means stranger or alien），結果今天和一位做XNA的同學聊起來，她告訴我做XNA的人不認為這屬於XNA，XNA在維基百科定義為一定要糖骨架與天然核酸不同。雖然這種定義看了一下依據，也就是做XNA的人自己新給的定義，不過這種事兒既然人家地都圈了，我就把文中的Xeno nucleic acid都改為非天然核酸或者非天然鹼基這種叫法。

話說回來，這樣定義來看，個人認為糖骨架區別與天然核酸的非天然核酸更有科學意義。

【1】Malyshev DA, Romesberg FE (2015) The expanded genetic alphabet. Angew Chem Int Ed Engl 54(41):11930–11944

The Expanded Genetic Alphabet

謝 @芝士喵邀請。今天讀了一下這篇發表在Nature雜誌的Letter形式文章。文章不長，在此和大家簡要的解讀一下。

我們知道地球上所有的生物都擁有共同的祖先。經過40億年的進化歷程，雖然生物各自擁有獨特的形態與內在機制，但是幾乎所有生物都存在一個共同點——DNA遺傳密碼都是由4個鹼基構成，即A，C，G，T。

合成生物學的主要目標是創造新的生命形式，並且賦予生命新的功能。這個領域一個常見的研究形式就是創造一種「半合成形式」的生命體，簡單來說，就是通過在原本的生物遺傳系統上加入新的「語言」，這種「語言」可以是新的核酸，也可以是新的氨基酸（PS生物的Building Blocks除了核酸和氨基酸，還有脂類和碳水化合物，也許以後我們還可以創造擁有非天然脂類和碳水化合物的生命）。

在之前的研究中，我們已經能夠在生命系統中加入新的核酸分子或者氨基酸，但是之前的所有研究都似乎差一點點，即沒有創造出能夠同時擁有非天然核酸和非天然氨基酸的生命體。而這篇文章正是在這一點取得了突破，真正在最經典的中心法則（DNA-RNA-Protein）中加入非天然、正交的物質，創造了能夠穩定儲存（Store）非天然核酸遺傳信息並且能夠將非天然遺傳信息解碼（decode）成非天然氨基酸（蛋白質）的半合成生命。

其實在此文章發表之前，這個研究團隊首先在PNAS上發表了文章《A semisynthetic organism engineered for the stable expansion of the genetic alphabet》。在這項發表在PNAS的工作中，他們創造了11月30號這篇文章中所提到的「The semi-synthetic organism (SSO) strain YZ3」，他們在篇文章中主要提到了一下幾點工作：

1. 其實很早之前我們就可以在細菌中「摻入」非天然核苷酸了，最經典的鹼基對是：的dNam-d5SICS UBP(unnatural base pair)。但是dNam-d5SICS UBP存在三點問題：

細菌將非天然鹼基對吸收進細胞內需要膜通道蛋白載體，雖然現有的通道蛋白可以輸送天然核酸dNam和d5SICS，但是效率非常低；同時低效率導致細菌的生長受到嚴重影響，doubling time增加了兩倍
由於細菌體內的磷酸酶會降解非天然核酸，非天然鹼基對在細菌DNA上非常容易丟失，特別是生長在高密度液體培養基或者固體培養基上。
即使對生長條件進行優化，細菌的生長仍然受損。

2. 為了解決以上問題，他們對細菌進行了以下幾點改造

對膜通道蛋白載體進行改造，大大的提高了非天然核酸的運輸速率
將dNam-d5SICS鹼基對改為dNam-dTPT3（X-Y）鹼基對，提高了其體內的複製效率
在細菌體內加入CRISPR/Cas9系統。只要UBP位點發生突變（主要是UNP位點突變為鹼基T），CRISPR/Cas9系統就可以在gRNA的引導下將突變DNA消除掉。相當於存在一種進化壓力，能夠維持UBP位點的存在。

好了，通過以上對於「The semi-synthetic organism (SSO) strain YZ3」的鋪墊，我們正式來看看11月30號這篇文章具體是怎麼講故事的。

前面說到他們的目的是創造一種SSO，不僅能夠穩定的在DNA中摻入非天然核苷酸，同時希望能夠將非天然核苷酸遺傳信息解碼成非天然氨基酸。

首先他們證明了非天然核苷酸遺傳信息可以被解碼成天然氨基酸。

綠色熒光蛋白sfGFP的第151位氨基酸Y之前實驗中表明可以容忍多種非天然氨基酸的存在，所以研究團隊就針對這一點進行了實驗。首先他們將sfGFP的第151位密碼子TAC變成了AXC。並且將大腸桿菌的Ser氨基酸tRNA的基因SerT反密碼子區DNA改成了GYT。在翻譯過程中tRNA就可以識別AXC密碼子，並且將Ser氨基酸引入sfGFP中。

圖1 a）dNam-dTPT3（X-Y）鹼基對和A-T鹼基對 b) sfGFP的第151位密碼子改為AXC；serT基因的fanmi反密碼子位點序列改為GYT

圖2 非天然核苷酸遺傳信息可以被解碼成天然氨基酸

他們然後通過實驗測定了解碼的保真性，結果表明翻譯過程可以實現98.5%左右的準確度將Ser氨基酸插入到sfGFP的151位點。不準確的情況主要來自於X突變為其他鹼基，可以會引入氨基酸Ile或者Leu，以X突變為鹼基T為主。這樣一來，就證明了非天然核酸可以被解碼成蛋白質信息。

同時他們驗證了非天然核苷酸遺傳信息可以被解碼成非天然氨基酸。

他們將自然存在的Ser氨基酸tRNA基因換成了可以引入非天然氨基酸的PrK(N6-[(2-propynyloxy)carbonyl]- l-lysine)的tRNA-Pyl基因，同樣將其tRNA的發密碼子序列修改為（GYT）。同時他們還做了另一組：sfGFP的151位改為序列GXC，對應的tRNA序列改為GYC。具體數據我就不介紹了有興趣的可以去看文章。

圖3 非天然核苷酸遺傳信息可以被解碼成非天然氨基酸。

總之，兩組實驗中對於非天然氨基酸的引入效率也是非常高的，可以達到96.2%和97.5左右。這樣一來，就證明了非天然核苷酸遺傳信息可以被解碼成非天然氨基酸。

當然文獻中還有很多的數據圖表，如菌體的生長、熒光情況等，在這裡就不一一介紹了。

總體來說，我認為這篇文章的工作的確是推動了半合成生命領域的繼續前進。在我的認知範圍內我認為主要有以下幾點亮點：

真正在最經典的中心法則（DNA-RNA-Protein）中加入非天然、正交的物質，創造了能夠穩定儲存（Store）非天然核酸遺傳信息並且能夠將非天然遺傳信息解碼（decode）成非天然氨基酸（蛋白質）的半合成生命。將原來單獨的非天然核酸和非天然氨基酸部分統一在了一起。
極大的拓展了可以利用的遺傳信息。在核酸方面，6個鹼基，3個鹼基對可以極大的拓展可以編碼的遺傳信息，同時可以在體內引入更多的非天然氨基酸。我們知道原來我們引入非天然氨基酸主要利用的是生物體內的終止密碼子TAG。為此George Church還構建了C321.△A，將大腸桿菌體內的終止密碼子TAG完全去除掉了。現在他們還在構建只含有57個密碼子的生命體，為的也是解放多餘的密碼子用於引入非天然氨基酸。那麼現在的工作在一定程度讓George Church的工作顯得重要性沒有那麼高了。因為在DNA中引入一對非天然核苷酸，理論上3個核苷酸對可以創造216（6*6*6）個密碼子，最高可以在體內引入173種氨基酸（216-64+20+1）。【PS 自然雜誌中說是172種氨基酸，我認為就目前人類的科學進展來說是173種。我們知道常見的64種密碼子可以引入20種氨基酸，剩下的216-64=152種含有非天然核苷酸的密碼子可以引用152種新的氨基酸，此時為172種。然後我們忘記了，其實我們很早就可以在TAG終止密碼子上引用非天然氨基酸了。2010年George Church發表C321.△A的工作之後我們更順利的在TAG密碼子上引入氨基酸，避免了TAG作為終止密碼子和功能密碼子兩種功能之間的競爭。所以目前來說應該是152+20+1=173種。】
在生物安全領域，這項工作的影響也是很大的。我們向完全正交化的生命更近了一步，好吧，其實離終極目標還是很遠的。不過更加正交化的生命可以解決合成生物學所面臨的生物安全問題。遺傳改造生物（Genetically Modified Organisms，GMO）可以更好的被防控在實驗室範圍內，不會泄露在自然環境中破壞生態平衡。同時這也會使基於細胞的生物療法在治療過程中更加安全。
同時我們可以通過引入非天然氨基酸在生物中引入更多的功能，這一點我們可以探索的空間是相當巨大的。

（以上）

參考資料：

Zhang, Yorke, et al. "A semisynthetic organism engineered for the stable expansion of the genetic alphabet." Proceedings of the National Academy of Sciences (2017): 201616443.
Zhang, Y. et al. "A semi-synthetic organism that stores and retrieves increased genetic information."Nature(2017)
Lajoie M J, Rovner A J, Goodman D B, et al. Genomically recoded organisms expand biological functions[J]. Science, 2013, 342(6156): 357-360.

https://www.nature.com/articles/nature24659

簡單看了一下這個今天刷屏的發現還是有幾個令人興奮的新意的。

先說一下論文的背景知識

回憶高中生物學我們知道，生命的基因是DNA。從DNA轉錄出RNA, 最後翻譯出蛋白質。行使功能的就是蛋白質。DNA是一種很長很長的大分子，簡單理解就是由A、T、C、G四種字母構成的一個字元串，比如：

CACGAGCGGTATATTTGCCTTTTTGTGCTGTGATTCGATTCTTTTCTCTCCTCCACCCAAGCGAGCTTGCTCACGAAGTGCGATGAGCTCTTTTACTTTTCAAGCTGGTTACTCATTGTATTTTGATTTGTTGTTAGAAATGAACGGATTAATTATTTGTTGCCCGGCATGCA

RNA呢是從這個字元串中間拷貝出來的，只是把T用另一個字母U代替，所以，上面這段DNA對應的RNA就變成(在不考慮轉錄序列其實是上訴序列的A.U , G.C 互補的情況下--感謝評論區的提醒)

CACGAGCGGUAUAUUUGCCUUUUUGUGCUGUGAUUCGAUUCUUUUCUCUCCUCCACCCAAGCGAGCUUGCUCACGAAGUGCGAUGAGCUCUUUUACUUUUCAAGCUGGUUACUCAUUGUAUUUUGAUUUGUUGUUAGAAAUGAACGGAUUAAUUAUUUGUUGCCCGGCAUGCA

RNA翻譯成蛋白質呢就是一個解碼的過程，每三個字元對應一個氨基酸，比如UUU編碼苯丙氨酸。一條RNA序列通過這個解碼翻譯過程就變成了一個氨基酸的序列。蛋白質就是這一串氨基酸構成的。

在地球上的自然生命中，絕大絕大部分的物種都使用同一套密碼本。這是一個很神奇的事情，有很多的研究去探討為什麼只有一套密碼本，有各種各樣的假說，但是目前還沒有特別一致公認的理論。另一個問題是為什麼DNA只有A、T、C、G四個字元？這個問題也是有很多很多的研究，有各種各樣的假說，但是目前也還沒有特別一致公認的理論。

背景說完了，今天這個論文做的事情，簡單的說就是一句話，他們在A、T、C、G四個字元之外增加了兩個自然界不存在東東（X、Y）到DNA去了，並且使它真的成功的編碼了新的罕見氨基酸，並摺疊成了有功能的蛋白。

往DNA裡面摻沙子（新的字元）的事情他們不是第一個做，89年就有人成功過，但是過去的方法細胞都不是很樂意接受，要麼容易被細胞修復了，要麼就不容易生長。這一次，是一個不小的突破，個人認為有兩個主要的興奮點，和一個次要的興奮點。

主要興奮點：

1. 穩定傳代。這個是非常重要的特性，這使得這個技術成為一個真正的工具而不是實驗室怪蜀黍的玩具。對於合成生物學來說，我認為這個技術是一個劈開大門的斧頭。

2. 用親水塑水而不是氫鍵連接。這是一個全新的機制—我不知道地球上是否還有別的生物是這樣的。從這個意義上來說，稱之為外星生物是不為過的。這也打開了一扇研究，開發，全新生命形式的可能性。

次要興奮點：

新的非自然氨基酸引入使得編碼氨基酸的可能性增加了不少。這個也是論文中吹噓的。不過從進化的角度來看，這個增加編碼氨基酸類型的可能性其實沒啥好興奮的。生命可以用4密碼子輕鬆獲得更多的編碼能力。就像上面背景中說的，為什麼自然界只用3密碼子？為什麼自然界主要只用20幾種氨基酸？其背後的原因要比簡單的4^3的排列組合要深刻的多。

論文中並沒有給出新的氨基酸會創造那些新的蛋白質的空間構象的可能性討論。個人認為這是一個值得探討的問題。如果新引入的氨基酸極大的擴張了所有可能蛋白質結構的空間，那麼這將是一個主要值得興奮的點。和上面主要興奮點第二條一樣，新的生命空間成為可探索的內容。這篇文章是一個開始，我相信，在這個方向上，即使這一次新引入的氨基酸沒有這個性質，以後也會有。所以，這也是一個興奮點。

人類在作死的道路上越走越遠了。cosplay上帝嗎？上帝他老人家冷笑不語。

see also

http://blog.sina.com.cn/s/blog_53ea0db80102ysxu.html

謝邀！

成果喜人，具有里程碑式的意義。

摻入非經典核苷酸(含鹼基X/Y) 並且成功轉錄翻譯成蛋白產物，這是很困難的。

DNA層面

首先是複製過程中複製機器對新引入核苷酸的識別，它是否可以被當做基本原件摻入複製；其次是複製後新的鹼基配對是否仍能形成雙鏈，對DNA雙螺旋是否影響，DNA結構是否有大的變化；再次是新引入的鹼基配對方式是否單一穩定，體內有沒有其他更容易結合它而且置換掉它的鹼基類似物，會不會隨著DNA複製傳代就被稀釋了或者丟掉了……

RNA及蛋白層面

同樣需要考慮轉錄機器、翻譯機器的識別問題；轉錄調控、轉錄產物校正、RNA剪切及可變剪切是否受到影響；轉錄效率是否改變；轉錄後修飾是否正常；轉錄本是否能穩定存在；是否有新的tRNA和新的一套密碼子；翻譯過程是否能正常進行下去；是否有20種天然蛋白氨基酸以外的人工氨基酸可以被摻入新鹼基對應的蛋白；含有新類型氨基酸的蛋白是否穩定，能否形成三維結構並行使生物學功能；這類蛋白會不會被當作異物被攻擊降解……

羅穆斯伯格團隊完成了一系列工作，克服上述重重困難，證明其可行，大大增加了分析水平上的遺傳多樣性，亦有改良現有動植物的潛在用途。對其加以開發大有可用，簡單如改造蛋白改造酶，影響代謝途徑甚至可能改變一些較難的代謝節點……

進化上的意義

很有趣，地球現有生物DNA基於含AGCT四種鹼基的核苷酸鏈形成雙螺旋結構，完成複製、遺傳。但是糖磷酸骨架核以外形式的結構單元並沒有出現在任何現有的生物中，甚至連AGCT以外的鹼基都不曾出現。但是生物事件並不總是有意義的，很多遺傳和進化的事件完全是隨機的，並不是一句為什麼就能解釋的。可是隨機的進化出現如此一致的結果，這也從另一側面印證了現有的生物有些共同的起源。甚至我們可以認為，如果能對產生生命的進化條件加以改變，完全有可能出現不同類型的生命體，其與現有生命差異之大就不單單體現在人造核苷酸了！

謝謝邀請，前幾位大佬說的已經夠好了。

還以為這種技術要等幾年，沒想到現在已經發展到這一步了：非天然DNA已經可以複製轉運並表達產生相應的蛋白質。而且還合成出了含有這種非天然DNA的大腸桿菌。

學業不精，不做過多評價。只能說它前景很廣。不過我個人覺得這種半合成生物有造成物種入侵的可能，安全性不知道如何，畢竟是非天然產生的生物…

其實我參加過一個比賽，叫iGEM，國際基因工程機器大賽，而剛剛發的這篇paper剛好為我們下一年的課題做了一個鋪墊，哈哈。

半合成生命乃至以後的全合成生命都是可以實現的，人類目前確實在扮演著上帝的角色，但是我們要認識到科學科技是一把雙刃劍，就像轉基因，雖然轉基因很受非議，但也有抗蟲棉等具有絕對的優勢。所以我期待以後的發展。

半合成病毒改造生物-活屍

全合成生物界-蟲族

。。。

突然發現人類的末日除了天網終結者外，又多了個刀鋒女王的挑戰者。

152種全新氨基酸，意味著數千萬種新的蛋白質可能，比鋼還硬的異種蛋白外殼？能融化鋼板的血液？太空中都凍不死的孢子？

推薦一本書。。。化學合成生物學，寥寥不多的基本合成生物學書籍之一。。。。。但這本不是講基因電路的，是將人工合成鹼基之類的，有一部分就是添了兩個鹼基，保證人造生命不會擴散。。。。估計實驗室都是一個（未考證）

本來想是，用現有20套氨基酸密碼子原創非抄襲個功能蛋白都不會，那倒騰這個有什麼意義。

後來突然想，對於文件編碼不了解的人來說，16進位編輯器確實沒什麼用。

謝邀樓上幾位大佬對文章的評價已經很客觀詳細了，我在看到這個消息的時候還是相當興奮的（隱隱覺得這幾個關於引入新鹼基、密碼子的工作者會是諾獎）

在我的觀點看來，生物體引入新的鹼基來參與轉錄翻譯，從信息的攜帶能力上講，相當於四位存儲升級成為六位存儲，那信息存儲量的增加將是無法估計的。合成生物學——一個從DNA層面對細胞進行編程的工程化學科，經常會受到各種莫名因素的限制導致系統運行bug，我們不得不再去多寫一段DNA來彌補這個缺陷。但有了新的鹼基引入後，我們可能就可以考慮更改一個更加高效的信息表達方式來實現。

好比出現了超級計算機，隨著合成生物學的發展，相信這種半合成生物體潛力無限（學藝不精，胡亂比較）

謝邀，以前是養三個娃，看老大老二還是老三更有出息，以後是養一個娃，還有一個合成生物，更有一個機器人

謝邀會是一個里程碑式的研究以後考研複習生化估計要背100多種氨基酸啦哈哈