顛覆認知！新鹼基創造出新生命

《自然》的一篇報告稱，2014年首次報道的人工合成鹼基，如今不僅能在活細胞中複製，還能編碼翻譯出非天然氨基酸。該報告的作者認為，人工合成鹼基的理論得到驗證後，生物學家將可能創造出形態、功能與天然蛋白質完全不同的蛋白質。

在地球上所有形式的生命體中，遺傳信息都是由四個「字母」排列而成，即核苷酸G、C、A和T，它們形成鹼基對G-C和A-T。但3年前，加利福尼亞Scripps研究所的化學教授Floyd Romesberg及其同事擴展了這個字母表，他們創造了新的人工合成核苷酸X和Y，這些人工合成核苷酸可以在DNA內部完成配對。研究團隊還將人工合成核苷酸植入大腸桿菌的遺傳物質中。不過，儘管這些植入人造核苷酸的大腸桿菌能正常生存，但卻無法指導合成蛋白質。

在合成新的核苷酸後，Romesberg曾表示，團隊的目標是「讓這些人工合成的分子，能夠在聚合酶和核糖體的協助下，在真正的活體細胞中發揮作用」，即和其他分子機器一起，參與將DNA轉錄成RNA，以及將RNA翻譯成蛋白質的過程。現在，Romesberg團隊已經實現了這個目標。

在剛剛發表於《自然》雜誌的文章中，Romesberg團隊首先將人工鹼基對X、Y導入綠色熒光蛋白的基因，把非關鍵區域上一個密碼子TAC（負責編碼酪氨酸）替換成AXC。接下來，他們創造了一個含有反密碼子GYT的tRNA，可攜帶名為PrK的非天然氨基酸。然後，研究小組將在DNA中保留有人工合成核苷酸的細菌內部進行表達。這種微生物翻譯出了含有非標準氨基酸的綠色熒光蛋白。

對於這項研究，很多生物學家給出了很高的評價。沒有參與這項研究的美國西北大學生物工程師Michael Jewett說：「這是一篇精彩絕倫的論文，這項工作的新穎性在於，作者用擴展的鹼基對，完成了中心法則的全過程——從信息存儲、檢索，直到最終翻譯產生功能蛋白。」

弗吉尼亞州的里士滿大學的生物學家、生物化學家Eugene Wu表示：「這是一項非凡的工程」。

英國卡迪夫大學的生物化學家Nigel Richards補充道：「神奇之處在於一切都在良好運轉著。這是一個非常精密複雜的系統，有太多可能導致差錯的地方。」

幸運的是，他們取得了成功。隨後，研究團隊繼續使用另一種合成密碼子——GXC完成轉錄和翻譯，這使得蛋白質中多出另一種非天然氨基酸pAzF。他們使用了幾種檢測方法，包括質譜分析和點擊化學法，來確認蛋白質中非天然氨基酸的存在。

人造的X-Y鹼基互補配對是通過分子間的疏水作用而形成的，而不是像天然鹼基對那樣通過氫鍵連接。但是X核苷酸和Y核苷酸在結構上與普通核苷酸相似，其成分都是戊糖-磷酸-鹼基。

Richards說：「不需要氫鍵來控制信息傳輸，這真的十分有趣。」Eugene Wu則表示：「這說明鹼基對只要形狀相似就足夠了。」

不過，這種人工合成的鹼基對也存在問題。Richards說，X-Y鹼基對特殊的化學機制可能會限制它們在DNA分子中的數量：「這些鹼基對出現的地方雙螺旋鏈發生了扭曲」。如果摻入一個X-Y鹼基對,周圍的常規鹼基還可以微調來抵消這種偏差；但是如果摻入三個連續的人工鹼基對，雙螺旋結構的維持和酶功能的行使就難以得到保證了。

其他研究人員，包括美國應用分子進化基金研究會的Steven Benner，也創造了許多使用氫鍵連接的新型鹼基對。它們整合到DNA中時並不破壞雙螺旋的結構，且可以長時間存在於DNA中。然而迄今為止，這些核苷酸只能在體外進行複製、轉錄和翻譯。

人造鹼基極大地擴展了生物化學家創造具有新功能的蛋白質的可能性。

Wu說，Romesberg的人造鹼基對最可能應用在將非天然氨基酸整合到蛋白質的特定部分，從而極大地增加了生物化學家創造具有新功能的蛋白質的可能性。譬如，在蛋白質中加入特定的氨基酸，可以使藥物分子或其他分子與特定蛋白質上的特定位點結合。Richards說，疏水鍵合的限制對這些應用可能並不重要。

Romesberg說，創造X、Y核苷酸的最終目標在於獲得在細胞中的功能分子，這是他們的研究重點。他在文章前補充道：「任何活細胞中產生的每種蛋白質都是由四個鹼基編碼而產生的。而我們用六個鹼基來編碼蛋白質，我至今都覺得不可思議。」

這是合成生物學的跨越性進步，也是人類取得上帝能力的一大步。

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