化學家發明新基因字母 擴展生命的自然語言

化學家發明新基因字母 擴展生命的自然語言

A、T、G、C和P、Z六種字母Benner的研究首次發佈在《Quanta》雜誌上。

科學家都認為DNA使用一個優雅的雙螺旋結構存儲者我們的遺傳代碼，但是，有些科學家認為這種結構的價值被高估了。佛羅里達應用分子進化基金會的有機化學家Steven Benner說：「DNA分子有很多地方是錯的。」

早在大約30年前，Benner就草擬了DNA和它的化學近親RNA的更好版本。他向DNA和RNA中添加了新的字母和其他物質，從而增加了它們的能力。Benner也想知道為什麼這些改進沒有在生物身上發生。生命的自然語言總共只有四個化學字母：G、C、A和T。我們遺傳密碼僅僅依賴於這四個核苷酸有特殊理由嗎？或者現有的這個系統也僅僅是一種可能，只是碰巧被自然選擇了？也許，擴展字母表的個數會更好。
增加字母個數可以大大增加可能的氨基酸種類Benner實驗室1985年的筆記基因密碼，A、T、G、C四種核苷酸，DNA首先轉錄得到RNA，然後形成特定的蛋白質。
雖然早期，Benner合成新化學字母的嘗試都失敗了。但通過每次失敗，他的團隊越來越透徹的知道如何才能得到優良核苷酸(遺傳字母)。此外，他們還更好的理解了使DNA和RNA正常工作的精確分子細節。整個研究過程的工作進展緩慢，因為科學家必須設計新的工具來操作他們增加的擴展字母。Benner說：「我們不得不人為設計DNA，而大自然可是花了40億年才創造出現今這些DNA的。」

經過幾十年的辛苦工作，Benner團隊現在人工合成的增強DNA的功能和普通DNA類似，甚至更好。在上個月發表於《美國化學學會》的兩篇論文上，他們表示兩個稱為P和Z的合成核苷酸可以無縫融入DNA的螺旋結構，增加這兩種新字母后還可以保持DNA的自然形狀。此外，包含新字母的DNA序列可以像傳統DNA一樣進化，也就是說，科學家首次成功擴展了遺傳字母表。

在實驗中，新核苷酸的表現甚至超越了它的自然同行。當需要進化選擇性結合癌細胞的DNA序列時，使用了P和Z字母的DNA表現更好。得克薩斯大學奧斯汀分校的生物化學家安德魯·艾靈頓並沒有參與這項研究，他說：「當你比較4核苷酸字母表和6核苷酸字母表時，6核苷酸字母表似乎更好。」

Benner對他的合成分子期望很高。他想利用它們創造出另一個基因系統，這個系統中的蛋白質不是必要的。而在現今生物中，蛋白質是執行必要生物功能的摺疊形分子。Benner認為，也許其他星球生命的基因系統只有兩種成分，而不是我們標準的三元系統：DNA、RNA和蛋白質。

DNA的主要工作是存儲信息，它的字母序列包含著構建蛋白質的藍圖。我們當前的字母可以編碼20種氨基酸，這些氨基酸組合在一起創造出了數以百萬計不同的蛋白質。但六個字母可能編碼多達216種氨基酸，從而產生更多的蛋白質。

大自然為什麼堅持四個字母是生物學的一個基本問題。科學家認為額外的字母可以讓整個系統更易出錯。但是，更大字母表的潛在優點也許可以彌補它的缺點。實際上，向RNA加入新字母可以增加RNA的能力。艾靈頓說：「相比四個字母，六個字母可以摺疊出更多不同的結構。」Benner認為這種方法可能讓RNA成為更好的催化劑。

Benner團隊的第二篇論文展示了擴大字母表的實際工作表現。在實驗中，研究人員首先隨機選擇由擴大字母表構成的DNA鏈，然後選擇出可以綁定到肝癌細胞而不能綁定到其他細胞的DNA鏈。在12個實現成功綁定的DNA鏈中，表現最好的DNA鏈包含有字母Z和P，而表現最差的則沒有。當然，科學家還需要更多的實驗來確定這不是一個偶然。

Benner還希望進一步擴大基因字母表，從而增強更多的功能。他目前致力於創建一個10 或12字母的基因系統，並計劃將新字母移入活細胞。Benner和其他科學家研究的合成分子已經被證明在醫學和生物技術存在有用應用，比如愛滋病毒和其他疾病的診斷測試。事實上，Benner的工作有助於開拓合成生物學的新領域，他的這些工作除了可以利用分子創造新的有用工具，還能為人類帶了新生活。

此外，Benner還認為相比人類包含DNA、RNA、蛋白質的三元系統，二元系統的進化速度可能更快。如果這是真的，距離地球很遙遠的星球上可能真的存在生命。Benner說：「如果我們在其他地方找到生命，他們很可能是二元生物高聚物系統。」