[科普中國(guó)]-哈佛科學(xué)家發(fā)現(xiàn)8堿基的DNA，會(huì)是外星生命的形式嗎？

生命個(gè)體可以說(shuō)是一個(gè)復(fù)雜而龐大的化學(xué)系統(tǒng)，為了維持生命的延續(xù)生命也在不斷自我演化。而演化的基礎(chǔ)就是DNA了。DNA用4個(gè)堿基的排列組合完整地保存著遺傳信息，并利用RNA至蛋白的方法進(jìn)行解碼，構(gòu)筑起整個(gè)生命體的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。這種DNA的4堿基模式被認(rèn)為是生命的基本存在形式。但是DNA只有4種堿基才能存在嗎？《科學(xué)》雜志上的最新文章給出了答案：8種堿基的DNA也能存在。小小分子造就無(wú)數(shù)生命這一新發(fā)現(xiàn)可以說(shuō)是改變了科學(xué)界對(duì)生命基本分子極限的看法。盡管DNA游蕩在現(xiàn)代人類體內(nèi)已經(jīng)超過(guò)百萬(wàn)年，但其實(shí)DNA從發(fā)現(xiàn)至今也不過(guò)100余年，瑞士外科醫(yī)生Friedrich Miescher在1869年從手術(shù)病人繃帶上殘留的體液中獲取了白細(xì)胞，并且從白細(xì)胞核中分離了許多富含磷酸基團(tuán)的物質(zhì)，他把這些物質(zhì)稱作“核質(zhì)”（現(xiàn)代生物學(xué)中已經(jīng)更名為核酸）。在接下來(lái)的幾十年中，許多科學(xué)家也對(duì)Miescher這種“核質(zhì)”的成分進(jìn)行了分析，并且相繼發(fā)現(xiàn)了堿基、脫氧核糖、磷酸基團(tuán)等多種組成成分。1953年，我們最熟悉的兩名分子生物學(xué)家沃森和克里克提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，在這個(gè)結(jié)構(gòu)中堿基按照不同順序，搭建在脫氧核糖骨架上。圖注：當(dāng)年沃森與克里克手繪的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)；圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)將雙螺旋結(jié)構(gòu)拉直了來(lái)看，就是許多脫氧核糖核苷酸單位組成的長(zhǎng)鏈。每個(gè)單位包括一分子堿基，一分子脫氧核糖和一分子磷酸基團(tuán)。其中最關(guān)鍵，也是讓生命出現(xiàn)多樣性的基礎(chǔ)就是堿基。A、T、G、C是我們熟知的4種DNA堿基，分別代表腺嘌呤、胸腺嘧啶、鳥嘌呤、胞嘧啶。顧名思義，4種堿基中，腺嘌呤和鳥嘌呤屬于嘌呤族，它們具有雙環(huán)結(jié)構(gòu)。胞嘧啶、胸腺嘧啶屬于嘧啶族，它們的環(huán)系是一個(gè)六元雜環(huán)。圖注：地球生命的DNA結(jié)構(gòu)與堿基對(duì)。圖片來(lái)自Wikipedia每種堿基分別與另一種堿基的化學(xué)性質(zhì)完全互補(bǔ)，由于嘌呤是雙環(huán)，嘧啶是單環(huán)，因此兩個(gè)嘧啶之間空間太大，而嘌呤之間空間不夠。只能通過(guò)嘌呤和嘧啶來(lái)進(jìn)行組合，人體DNA內(nèi)A總與T配對(duì)，G總與C配對(duì)。由于A與T 之間通過(guò)兩個(gè)氫鍵連接，而G與C之間通過(guò)三個(gè)氫鍵連接，因此G-C的組合比例高也會(huì)讓DNA的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。為什么說(shuō)堿基是生物多樣性的基礎(chǔ)呢？人類可以說(shuō)是一個(gè)蛋白質(zhì)的大集合體，從控制身體肌肉收縮的肌動(dòng)蛋白，到幫助你消化食物的胃蛋白酶，甚至小到結(jié)合在DNA上改變活性的調(diào)節(jié)因子都是由蛋白質(zhì)完成的。而不同的個(gè)體蛋白質(zhì)的表達(dá)量也并不一樣，生命體在演化過(guò)程中，這些信息都被儲(chǔ)存在了DNA中。需要的時(shí)候再通過(guò)轉(zhuǎn)錄成RNA，并翻譯成不同的氨基酸來(lái)組合成蛋白質(zhì)。究竟要翻譯成何種氨基酸，這就依賴于堿基的排列順序來(lái)決定。在地球生命中，基本規(guī)則都是由3個(gè)堿基的排列順序，決定一個(gè)氨基酸的種類，這在生物學(xué)上被稱作密碼子。四種堿基，就有4的立方共64種組合。龐大的堿基數(shù)目，構(gòu)成了各異的密碼子，也才成就了各異的我們。正因?yàn)檫@種DNA堿基組合的多樣性，也讓許多計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的專家看到了信息儲(chǔ)存的亮點(diǎn)，目前已經(jīng)有許多科學(xué)家用DNA當(dāng)作了密碼來(lái)保存信息，并且通過(guò)信息轉(zhuǎn)換可以完全還原。創(chuàng)造更多堿基如果有更多種堿基不就能夠擁有更多種組合嗎？科學(xué)家也一直在探尋DNA堿基種類的極限，2012年，美國(guó)斯克利普斯研究所的合成生物學(xué)家Floyd E. Romesberg就創(chuàng)造出了第三對(duì)DNA堿基組合，它稱其為5SICS-NaM。他檢測(cè)了在這對(duì)新堿基加入后DNA的效率和保真性，發(fā)現(xiàn)能達(dá)到99.9%。2年后，Romesberg就將這個(gè)6堿基系統(tǒng)導(dǎo)入了大腸桿菌中。意外地是，細(xì)菌對(duì)這種外來(lái)的新堿基并不排斥，相反它們還將其當(dāng)做DNA組件，完成了雙螺旋構(gòu)建。其表示，盡管只多了兩個(gè)堿基，細(xì)胞可以合成的氨基酸數(shù)目就將從20種變成172種。時(shí)隔五年這一記錄再次被刷新，近日由哈佛大學(xué)Steven A. Benner團(tuán)隊(duì)領(lǐng)頭，集合了美國(guó)多家知名大學(xué)的科學(xué)家，在體外合成了8堿基的DNA。新增的4種堿基被命名為Z、P、S、B堿基。類似于天然的堿基，它們也是按照單環(huán)和雙環(huán)的結(jié)構(gòu)合成的。同時(shí)按照Z(yǔ)-P與S-B的組合進(jìn)行配對(duì)，新增的堿基對(duì)之間都是用3個(gè)氫鍵相連，可以保證合成的8堿基DNA的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。他們將這種8堿基DNA叫做hachimoji DNA圖注：左邊為原有堿基（C-G，T-A），右邊為新增堿基（Z-P，S-B）；圖片來(lái)自《科學(xué)》DNA是遺傳信息的載體，但是要發(fā)揮實(shí)際作用，還是需要通過(guò)中心法則來(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是從DNA轉(zhuǎn)錄成RNA，將RNA翻譯成蛋白質(zhì)的過(guò)程。hachimoji DNA也必須能夠完成這一過(guò)程才具有實(shí)際意義，否則也只是一種人造的藝術(shù)品。為了探究這種可能，團(tuán)隊(duì)中來(lái)自得克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校的Andrew Ellington制造了一種轉(zhuǎn)錄酶，成功地將hachimoji DNA轉(zhuǎn)錄成了RNA，這也讓8堿基DNA的應(yīng)用成為了可能。目前研究團(tuán)隊(duì)仍在繼續(xù)進(jìn)行下一步的計(jì)劃，準(zhǔn)備將這套系統(tǒng)導(dǎo)入到細(xì)菌體內(nèi)，看其是否能協(xié)助細(xì)菌編碼自身的蛋白質(zhì)。圖注：新構(gòu)建的8堿基DNA，圖中G (綠色), A(紅色), C (暗藍(lán)色), T (黃色), B (青色), S (粉色), P (紫色), 和 Z (橙色)外星生命的DNA形式？目前科學(xué)界普遍認(rèn)為，地球生命在演化的初期遺傳信息都是以RNA形式儲(chǔ)存，這一過(guò)程中生命體也會(huì)不斷地修飾RNA組成的堿基。在當(dāng)時(shí)形成4個(gè)堿基的組合后，RNA承擔(dān)著遺傳信息的載體，以及完成一些催化功能。但由于RNA組成結(jié)構(gòu)的原因，其化學(xué)活性很高，容易產(chǎn)生突變，因此生命體逐漸朝著更穩(wěn)定的DNA演化。用DNA來(lái)儲(chǔ)存信息，并且通過(guò)蛋白質(zhì)來(lái)完成催化功能（還保留了小部分RNA的催化功能，核酶），三者通過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯的過(guò)程緊密連接。那么hachimoji DNA有沒有可能成為外星生命的形式呢？對(duì)此，記者郵件采訪了文章的通訊作者Steven Benner，他表示，“如果外星生命真的存在，不排除其會(huì)有不同組合的DNA，4種、6種或者像hachimoji DNA一樣有8種，”因?yàn)椴煌乔蛏系纳w演化過(guò)程并不一樣，“可能在地球生命體選擇從RNA走向DNA時(shí)，外星生命并沒有這樣做，而是選擇繼續(xù)修飾堿基，從而合成了更多可用的堿基?！痹谡撐牡男侣劯逯?，Benner也表示，目前來(lái)說(shuō)，hachimoji DNA并算不上外星生命，因?yàn)楝F(xiàn)在hachimoji DNA 系統(tǒng)還需要人為地添加堿基和蛋白質(zhì)維持功能，而真實(shí)存在的生命體應(yīng)該能完成自我延續(xù)。但是其出現(xiàn)，為人類搜尋外星生命的DNA 形式提供了新思路。通過(guò)分析hachimoji DNA的結(jié)構(gòu)、大小和外觀，科學(xué)界認(rèn)識(shí)到生命最基本的分子還可以更大，可以有更多的形式而不是局限于A、T、G、C，外星生命可以和地球生命并不一樣。Benner也稱，最有可能找到外星生命的地方，其實(shí)就是在地球的實(shí)驗(yàn)室中。目前，他也分析了hachimoji DNA與其他分子的結(jié)合能力，發(fā)現(xiàn)其可以與腫瘤細(xì)胞或者病毒完美結(jié)合，從目前的表現(xiàn)來(lái)看，hachimoji DNA雖然算不上外星生命，但它很有可能成為下一代監(jiān)測(cè)疾病和病毒的新型藥物。作者 | 楊心舟審稿 | 北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 黃凡 博士責(zé)編 | 高佩雯文章由騰訊科普“科普中國(guó)頭條創(chuàng)作與推送項(xiàng)目”團(tuán)隊(duì)推出轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自“科普中國(guó)”