几十亿年前，4种旋转、跳跃于我们的地球上的分子，像是突然有了意志一般，以我们至今仍难以设想的方式优雅地组成了DNA双螺旋结构，为我们星球上的生命提供了遗传密码。这4种物分子分别是腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶，我们通常用A、G、C、T这四个字母来分别表示这4种天然碱基。在正常情况下，当两条DNA链以双螺旋的形式缠绕在一起时，每条链上的碱基会相互成键配对：A对T，C对G。
现如今，一篇最新发表在Science杂志上题为：Hachimoji DNA and RNA: A genetic system with eight building blocks 的研究论文表明，这种生命的组成成分已经从4个变成了8个！科学家成功地创造出了也能对遗传信息进行存储与转录的合成碱基。从理论上看，这些扩展出的合成碱基也可用于支撑生命。
鉴于这一研究的重要性，Nature杂志也报道了这项研究成果。
这是一项里程碑式的成果。因为它从侧面表明，与地球上的生命进化息息相关的4种天然碱基，并无什么特殊的魔力。
其实，科学家从很久以前就开始思考是否只有这4种碱基才能成为构成生命的基础，他们尝试将更多的碱基添加到遗传密码中。早在20世纪80年代，领导了这次研究的化学家Steve Benner就首次创造出了“非自然”的碱基。自那之后，许多不同的研究小组也相继开展了这类研究。
那么新的研究有什么特别之处呢？它首次系统性地证明了，非自然碱基也能像自然碱基那样相互识别与结合，并且能形成可自我维持的稳定的双螺旋结构。研究人员通过调整普通碱基的分子结构，创造出了这些合成碱基。
我们知道，DNA的碱基配对是源于碱基之间有氢键形成：每一个碱基的氢原子，会被与它们对应的“拍档”身上的氮原子或氧原子吸引。通过调整这些分子，研究人员发现了几对新的碱基，其中一对被命名为B和S，另一对名为P和Z。
○ 全新的8碱基遗传系统的结构。四种天然的碱基分别是G(绿色)、A(红色)、C(蓝色)和T(黄色)，四种合成的碱基分别是B(青色)、S(粉色)、P(紫色)、Z(橙色)。 | 图片来源： Indiana University School of Medicine
研究人员将这4种额外的合成碱基与4种标准的天然碱基结合在一起，称这个8碱基系统为“Hachimoji”，意为“八文字”（Hachi在日语中是八的意思，moji为文字）。4个合成碱基在形状上与4种天然碱基相似，只是在结合模式上存在一些不同。他们进行了一系列的实验，最后证明——合成的DNA序列与维持生命所必需的自然DNA具有相同的特性。
合成碱基的特性
我们可以从三个方面来了解这些合成碱基的特性。
首先，作为一个信息存储系统，DNA必须遵循可预测的规则。因此他们先要证明合成碱基与普通碱基类似，能稳定可靠地成对。他们制造了数百个合成DNA分子，发现这些合成的碱基可以按预期规则那样，与各自的“拍档”稳定成对。
接着，他们发现无论合成碱基在DNA中以何种顺序排列，都能保持DNA的稳定的双螺旋结构。他们创造了三种不同序列的合成DNA，利用X射线衍射检测，发现这三种DNA在结晶时都维持了不变的结构。
这是非常重要的一点很重要，因为生命进化的在于DNA的变化，而若要进化能得以进行，那么DNA序列就必须能在整体结构不遭到破坏的情况下发生变化。这是本次研究的一个重大飞跃，其他一些扩展碱基的方法都无法维持整体结构上的稳定。在那些方法中，研究人员使用的不是以氢键配对的化学物质，而是用疏水分子来做碱基。这样的碱基只能被间隔地安插在自然碱基之间，如果要将它们排成一排，DNA分子的整体结构就会瓦解。
最后，研究小组证明了合成的DNA可以被如实地转录成RNA。这也是至关重要的一点。因为将DNA转化为RNA是将遗传信息转化为蛋白质的关键步骤，而蛋白质是我们生命的支柱。
○ “八文字”DNA和“八文字”RNA的8个核苷酸被设计成4个大小互补和氢键互补的对。| 图片来源：[1]
这项研究所取得的突破是概念性的，它清晰地表明了生命可以由不同于我们已知的那四种DNA碱基支撑。这对我们在宇宙的其他地方搜索生命迹象具有很大的参考意义。
除了可用于寻找宇宙生命之外，这种含有额外碱基的DNA链还有着很多更实际的应用。通过将碱基种类的数量增加到8个，DNA序列的多样性将大大增加，所能存储的遗传信息也将大大增多。除了信息存储之外，含有8种碱基的DNA还能更具体地与特定的目标结合。例如在之前的研究中，Benner的研究小组就发现含有Z和P的DNA链，比只含有标准的四碱基DNA链能更好的与癌细胞结合。
这是第一次展示含有8种不同碱基字母的DNA，这非常了不起，这是一个令人兴奋的起点。但与此同时，要实现一个真正的“八字母“合成基因系统，或许还有很长的路要走。例如在实际应用中，研究人员需要提高RNA复制和转录的准确性和效率。Benner的研究团队还在开发更多的新的碱基对，这为创造出含有给更多碱基字母的DNA提供了可能。
参考来源：
http://science.sciencemag.org/content/363/6429/884/tab-figures-data
https://www.nature.com/articles/d41586-019-00650-8
https://www.livescience.com/64829-hachimoji-dna.html
本文转载自公众号：原理
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