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化学家发明新基因字母:扩展生命的自然语言

据国外媒体报道,一直以来,科学家都认为DNA使用一个优雅的双螺旋结构存储者我们的遗传代码,但是,有些科学家认为这种结构的价值被高估了。佛罗里达应用分子进化基金会的有机化学家Steven Benner说:“DNA分子有很多地方是错的。”


早在大约30年前,Benner就草拟了DNA和它的化学近亲RNA的更好版本。他向DNA和RNA中添加了新的字母和其他物质,从而增加了它们的能力。Benner也想知道为什么这些改进没有在生物身上发生。生命的自然语言总共只有四个化学字母:G、C、A和T。我们遗传密码仅仅依赖于这四个核苷酸有特殊理由吗?或者现有的这个系统也仅仅是一种可能,只是碰巧被自然选择了?也许,扩展字母表的个数会更好。


增加字母个数可以大大增加可能的氨基酸种类

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基因密码,A、T、G、C四种核苷酸,DNA首先转录得到RNA,然后形成特定的蛋白质。

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虽然早期,Benner合成新化学字母的尝试都失败了。但通过每次失败,他的团队越来越透彻的知道如何才能得到优良核苷酸(遗传字母)。此外,他们还更好的理解了使DNA和RNA正常工作的精确分子细节。整个研究过程的工作进展缓慢,因为科学家必须设计新的工具来操作他们增加的扩展字母。Benner说:“我们不得不人为设计DNA,而大自然可是花了40亿年才创造出现今这些DNA的。”


经过几十年的辛苦工作,Benner团队现在人工合成的增强DNA的功能和普通DNA类似,甚至更好。在上个月发表于《美国化学学会》的两篇论文上,他们表示两个称为P和Z的合成核苷酸可以无缝融入DNA的螺旋结构,增加这两种新字母后还可以保持DNA的自然形状。此外,包含新字母的DNA序列可以像传统DNA一样进化,也就是说,科学家首次成功扩展了遗传字母表。


在实验中,新核苷酸的表现甚至超越了它的自然同行。当需要进化选择性结合癌细胞的DNA序列时,使用了P和Z字母的DNA表现更好。得克萨斯大学奥斯汀分校的生物化学家安德鲁·艾灵顿并没有参与这项研究,他说:“当你比较4核苷酸字母表和6核苷酸字母表时,6核苷酸字母表似乎更好。”


Benner对他的合成分子期望很高。他想利用它们创造出另一个基因系统,这个系统中的蛋白质不是必要的。而在现今生物中,蛋白质是执行必要生物功能的折叠形分子。Benner认为,也许其他星球生命的基因系统只有两种成分,而不是我们标准的三元系统:DNA、RNA和蛋白质。


DNA的主要工作是存储信息,它的字母序列包含着构建蛋白质的蓝图。我们当前的字母可以编码20种氨基酸,这些氨基酸组合在一起创造出了数以百万计不同的蛋白质。但六个字母可能编码多达216种氨基酸,从而产生更多的蛋白质。


大自然为什么坚持四个字母是生物学的一个基本问题。科学家认为额外的字母可以让整个系统更易出错。但是,更大字母表的潜在优点也许可以弥补它的缺点。实际上,向RNA加入新字母可以增加RNA的能力。艾灵顿说:“相比四个字母,六个字母可以折叠出更多不同的结构。”Benner认为这种方法可能让RNA成为更好的催化剂。


Benner团队的第二篇论文展示了扩大字母表的实际工作表现。在实验中,研究人员首先随机选择由扩大字母表构成的DNA链,然后选择出可以绑定到肝癌细胞而不能绑定到其他细胞的DNA链。在12个实现成功绑定的DNA链中,表现最好的DNA链包含有字母Z和P,而表现最差的则没有。当然,科学家还需要更多的实验来确定这不是一个偶然。


Benner还希望进一步扩大基因字母表,从而增强更多的功能。他目前致力于创建一个10 或12字母的基因系统,并计划将新字母移入活细胞。


Benner和其他科学家研究的合成分子已经被证明在医学和生物技术存在有用应用,比如艾滋病毒和其他疾病的诊断测试。事实上,Benner的工作有助于开拓合成生物学的新领域,他的这些工作除了可以利用分子创造新的有用工具,还能为人类带了新生活。


此外,Benner还认为相比人类包含DNA、RNA、蛋白质的三元系统,二元系统的进化速度可能更快。如果这是真的,距离地球很遥远的星球上可能真的存在生命。Benner说:“如果我们在其他地方找到生命,他们很可能是二元生物高聚物系统。”

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