科学家用本不存在的碱基，创造了新的生命体

在地球上所有形式的生命体中，遗传信息都是由四个“字母”排列而成，即核苷酸G、C、A和T，它们形成碱基对G-C和A-T。但3年前，加利福尼亚Scripps研究所的化学教授Floyd Romesberg及其同事扩展了这个字母表，他们创造了新的人工合成核苷酸X和Y，这些人工合成核苷酸可以在DNA内部完成配对。研究团队还将人工合成核苷酸植入大肠杆菌的遗传物质中。不过，尽管这些植入人造核苷酸的大肠杆菌能正常生存，但却无法指导合成蛋白质。



在合成新的核苷酸后，Romesberg曾表示，团队的目标是“让这些人工合成的分子，能够在聚合酶和核糖体的协助下，在真正的活体细胞中发挥作用”，即和其他分子机器一起，参与将DNA转录成RNA，以及将RNA翻译成蛋白质的过程。现在，Romesberg团队已经实现了这个目标。



在刚刚发表于《自然》杂志的文章中，Romesberg团队首先将人工碱基对X、Y导入绿色荧光蛋白的基因，把非关键区域上一个密码子TAC（负责编码酪氨酸）替换成AXC。接下来，他们创造了一个含有反密码子GYT的tRNA，可携带名为PrK的非天然氨基酸。然后，研究小组将在DNA中保留有人工合成核苷酸的细菌内部进行表达。这种微生物翻译出了含有非标准氨基酸的绿色荧光蛋白。



对于这项研究，很多生物学家给出了很高的评价。没有参与这项研究的美国西北大学生物工程师Michael Jewett说：“这是一篇精彩绝伦的论文，这项工作的新颖性在于，作者用扩展的碱基对，完成了中心法则的全过程――从信息存储、检索，直到最终翻译产生功能蛋白。”



弗吉尼亚州的里士满大学的生物学家、生物化学家Eugene Wu表示：“这是一项非凡的工程”。



英国卡迪夫大学的生物化学家Nigel Richards补充道：“神奇之处在于一切都在良好运转着。这是一个非常精密复杂的系统，有太多可能导致差错的地方。”



幸运的是，他们取得了成功。随后，研究团队继续使用另一种合成密码子――GXC完成转录和翻译，这使得蛋白质中多出另一种非天然氨基酸pAzF。他们使用了几种检测方法，包括质谱分析和点击化学法，来确认蛋白质中非天然氨基酸的存在。



人造的X-Y碱基互补配对是通过分子间的疏水作用而形成的，而不是像天然碱基对那样通过氢键连接。但是X核苷酸和Y核苷酸在结构上与普通核苷酸相似，其成分都是戊糖-磷酸-碱基。



Richards说：“不需要氢键来控制信息传输，这真的十分有趣。”Eugene Wu则表示：“这说明碱基对只要形状相似就足够了。”



不过，这种人工合成的碱基对也存在问题。Richards说，X-Y碱基对特殊的化学机制可能会限制它们在DNA分子中的数量：“这些碱基对出现的地方双螺旋链发生了扭曲”。如果掺入一个X-Y碱基对,周围的常规碱基还可以微调来抵消这种偏差；但是如果掺入三个连续的人工碱基对，双螺旋结构的维持和酶功能的行使就难以得到保证了。



其他研究人员，包括美国应用分子进化基金研究会的Steven Benner，也创造了许多使用氢键连接的新型碱基对。它们整合到DNA中时并不破坏双螺旋的结构，且可以长时间存在于DNA中。然而迄今为止，这些核苷酸只能在体外进行复制、转录和翻译。



Wu说，Romesberg的人造碱基对最可能应用在将非天然氨基酸整合到蛋白质的特定部分，从而极大地增加了生物化学家创造具有新功能的蛋白质的可能性。譬如，在蛋白质中加入特定的氨基酸，可以使药物分子或其他分子与特定蛋白质上的特定位点结合。Richards说，疏水键合的限制对这些应用可能并不重要。



Romesberg说，创造X、Y核苷酸的最终目标在于获得在细胞中的功能分子，这是他们的研究重点。他在文章前补充道：“任何活细胞中产生的每种蛋白质都是由四个碱基编码而产生的。而我们用六个碱基来编码蛋白质，我至今都觉得不可思议。”



撰文 Ruth Williams

翻译 周盈宵

审校 王妍琳 吴非



原文链接

https://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/51051/title/Six-Letter-DNA-Alphabet-Produces-Proteins-in-Cells/