简单来说,如果细菌不需要这三个密码子,我们就可以让这些密码子携带其他的信息,比如对应一种现有蛋白质中20种氨基酸之外的氨基酸,赋予大肠杆菌一些人类所需要的功能。当然,要做到这一步除了“密码”要换,相应的“解码器”也要换,这项技术离具体应用还非常遥远。
密码子不够用,为什么不增加碱基呢!
4种碱基最多只能组合出64种密码子,除去细菌必需的密码子,我们能够利用的极其有限。另外一群美国科学家并没有将思维局限于此,他们的思路是,增加碱基数量,这样密码子想要多少就有多少,这就是我们文章第一部分提到过的8碱基DNA。
这项新鲜出炉的研究发表在今年2月份的《科学》杂志上。在通常的ATGC之外,他们模仿现有碱基的结构创造了SBPZ四个新碱基,合成了一段含有8个碱基的DNA。文章的第一作者是一位日籍科学家,这个自豪的日本人和他慷慨的美国老板将这种8碱基的核酸命名为“Hachimoji”,即为日语“八文字”的发音。8碱基DNA中S和B配对,P和Z配对,无论新碱基如何排列,三维结构都可以完全维持4碱基DNA的原状,保证了8碱基DNA的稳定存在和后续功能的执行。与之前或无法自然配对或无法维持DNA结构的人工合成碱基相比,8碱基DNA绝对称得上是一项里程碑式的发明。
当然这个团队并没有满足于此,考虑到DNA只有将信息传达出去才能实现其价值,他们通过改造现有的RNA聚合酶,找到了可以将8碱基DNA转录成RNA 的那一个。SBPZ 四个新碱基都有对应的RNA版本,因此新合成的8碱基DNA可以无障碍地转录成RNA,并有望继续执行功能。当然,8碱基DNA和RNA的合成距离其成为真正的遗传系统(至少需要能够指导蛋白质的合成)还有很长的路要走,但是这条路终点的生物体,就是从各种意义上来讲都当之无愧的人工合成生命。
人工合成的碱基到底有什么应用价值?
正如前面所说,新的碱基可以帮助科学家利用新的氨基酸合成自然界中不存在的蛋白质,8种碱基就相当于有了512种密码子。除此之外,创造8碱基DNA的团队曾经发现,他们合成的含有碱基Z和P的DNA能够更好地和癌细胞结合。利用这项特性,人工合成DNA就可以在癌症的诊断、药物定向导入等等方面发挥巨大作用。
如何用几句话把上面的所有技术都归纳出来?
举个可能有些不太准确的例子,遗传信息好比是我们手中的一份文稿,有几十页。本来它们都按着页码叠在一起,但是你要是把它们一页一页首尾相接粘起来,这就和中国的单染色体酵母类似了。如果你把文稿中的一些词汇全部替换为另外的说法,那就和这次的全基因组改写大肠杆菌类似了。如果你在文稿中加入了另外一套之前谁都没有见过的文字,这就是8碱基DNA的情形,并且,由于你加入了全新的文字,很多其它的文稿处理软件很可能没法正确识别你的文档,这就是所谓的8碱基DNA还需要与之相应的技术支持才能真正发挥效用。
参考文献:
1. https://www.nature.com/articles/s41586-019-1192-5
2. https://science.sciencemag.org/content/312/5776/1044
3. https://www.statnews.com/2019/05/15/recoded-bacteria-genome-made-from-scratch/
4. https://science.sciencemag.org/content/363/6429/884
5. https://www.nature.com/articles/d41586-019-00650-8