今日Nature重磅：突破进化瓶颈，人类终于在根基上改变了生命
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2017-11-30
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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。”
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
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发表于 2017-12-3 00:20
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