伴随了我们几十亿年的4种A、G、C、T遗传密码子组成了世界上有机体的DNA,但一项最新研究显示,科学家将遗传密码子核苷酸从四种扩充到了八种,这些核苷酸的外观和行为与天然的核苷酸相似,甚至可以转录成RNA。

这一研究成果公布在2月21日的Science杂志上,研究人员表示,这种被称为“hachimoji”系统能存储天然核苷酸两倍的信息,未来也许能应用到合成生物学等多个领域。更重要的是,这一扩增的遗传密码系统可为能支持生命的更大、更复杂的分子结构提供新的线索。

来自西北大学的Michael Jewett(未参与该项研究)评论道:“这真是一篇令人兴奋的论文……真正的生物工程壮举。它增加了DNA和RNA构建模块的数量,大大扩展了核酸的信息密度。”

“这提出了一个重要问题:在生命起源的时候,为什么是这四种核苷酸构建了生命密码子?为什么不能是八种,或者其它的数量呢?”

构成生命化学蓝图的基因密码

在过去的40亿年间,只有鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C),以及腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶(T),或者对于RNA来说的尿嘧啶(U),这些构成了大自然创造地球上无穷无尽的生命所需要的一切。

但是领导这项研究的Steven Benner博士认为,理论上还能有更多。比如嘌呤(G或A)通过氢键与嘧啶(C,T或U)连接时形成碱基对,还有其他嘌呤和嘧啶型结构可以假设连接产生与标准DNA相同的螺旋结构。

Benner已经计算出,由八种新型结构形成的总共四个额外的氢键合碱基对是可能的。他说,DNA从根本上并没有完全利用其结构限制。“因此,DNA分子可以扩展……你实际上可以添加更多的字母”。

之前,Benner研究组已经合成了两种核苷酸:Z和P,并证明了将它们加入到DNA中,也可以在体外复制和转录。现在,他的团队增加了另外一对碱基——S和B.

Hachimoji DNA

研究人员将化学合成的新核苷酸整合到双链寡核苷酸(也含有G,A,T,C,Z和P)中,然后检测分子的熔解温度,结果发现观察到的熔解温度平均在预测值的2.1℃内,这也是标准DNA寡核苷酸的误差范围。

“这项研究证明你可以将DNA的碱基翻倍,并且具有可预测化学特性,我认为这是一项具有里程碑意义的成就,”Scripps研究所的Floyd Romesberg说(未参与该项研究)。

从化学上讲,hachimoji DNA的外观和行为与标准DNA相似。然而,找到读取和处理核酸的酶却很难,因此为了将hachimoji DNA转录成RNA,研究人员尝试了许多噬菌体RNA聚合酶变体,最终他们发现了一个。

利用这种RNA聚合酶,研究小组转录了一种已知RNA适配体的hachimoji版本,并加入了特定的荧光团。果然,转录的hachimoji RNA按预期发光了。

这种制作功能性RNA的能力“在RNA生物技术领域开辟了许多可能性,”卡迪夫大学的生物化学家Nigel Richards(未参与该项研究)说。他解释说,RNA可以是催化分子,所以“能有更多的官能团,可以不同的靶标分子进行不同类型的相互作用……增加催化范围。”

Hachimoji DNA甚至可以与基于不同碱基配对的其他类型人工核苷酸结合,从而进一步提高功能性。

来源:生物通

原文标题:

S. Hoshika et al., “Hachimoji DNA and RNA: A genetic system with eight building blocks,” Science, 363:884–87, 2019.