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史上第一次,科学家成功扩展了生命的遗传字母表,向细菌里加入了两个新的人造“字母”;而且这段新DNA是可以复制的。这项研究在线发表于5月7日的《自然》期刊上。

这一成就可能最终会诞生出特殊的人造生物,可以合成天然生物办不到的药品或者工业产品。开发这种扩展字母表的斯科瑞普研究所已经成立了一家公司,尝试用这一新技术研发新的抗生素、疫苗和其他产品,虽然距离实际应用还有相当的距离。

该研究也表明,宇宙其他地方如果有生命,它们的遗传学很可能与我们不同。

DNA

自然界的DNA只有4种碱基:A、T、C、G。此外还有一种碱基U只出现在RNA里。地球上所有生命的DNA都由这四个字母写成,一切生物多样性都由它们承载。三十八亿年来生命对于这一安排甚感满意,但是对于研究的通讯作者、斯科瑞普研究所的化学家弗洛伊·罗姆斯伯(Floyd Romesberg)来说,这太局限了。设想一下,他说,如果英语只有四个字母。

“也许你有三个辅音和一个元音,”他说,“也许可以写几个词,用它讲几个粗糙的故事。但是如果多几个字母,你就能多写很多东西。能够储存更多的信息,就能写更有意思的词,更大的词,更复杂的词,更微妙的词,更好的故事。”

所以他致力于添加新的字母。“倒不是说我觉得生命‘需要’更多的遗传信息,但是我认为,如果我们给生命以使用更多字母的能力,我们对它的理解会深入很多,也能开发出更多种类的药物。”

因此他的团队创造了一对新的互补碱基,其结构和已知碱基完全不同,并把它放进了最常见的实验室细菌——大肠杆菌里。当大肠杆菌复制时,这些人造碱基也成功复制了;论文的数据表明它们至少复制了24轮。自2009年以来,他们已经尝试了三百多种人造碱基,但这是第一个能被细胞的复制机制识别的碱基对。

他们的办法非常巧妙:植物中的叶绿体有一个转运蛋白能够从周围别的组织提取碱基,相关基因已经被发现。于是他们将来自藻类的相关基因转入大肠杆菌,让它们在复制时成功地摄入并利用了这些新碱基。

虽然在插图里使用了X和Y的代号,但是罗姆斯伯说,这对碱基的真正名字是d5SICS – dNAM。“这挺尴尬的,我们的名字糟透了。这名字只是非常复杂的化学名的简写。”罗姆斯伯解释道,因为他的实验室过去几年里探索了如此多的新碱基,“我们没法给每个都起上诸如X、Y、α或者β这样可爱的名字——实在太多了。”

不过,虽然大肠杆菌能够复制这对新碱基,它还不能识别。这两个碱基无法表达。

“我们还没到那一步,我们现在只关注的是遗传信息的储存过程。”罗姆斯伯说。

显然,这项研究会带来人们对安全的担忧:人类是否又在扮演上帝了。但是罗姆斯伯指出,这种生物是安全的——因为自然环境里根本不存在这种合成碱基。如果细菌逃逸了,进入环境或者人体,它们无法获得相应的原料,要么会死去,要么会恢复成使用传统的碱基。

“这非常激动人心。”得克萨斯奥斯汀大学的生物化学家罗斯·泰尔(Ross Thyer)在《自然》上发表了对这项研究的评论,“从试管到活细胞是巨大的进步。”他说现在科学家可以探究一些基本的问题了——比如,为什么生命只使用了这四种碱基。

“有没有可能添加更多的碱基呢?”泰尔补充道,“能不能用这些新零件创造出更复杂的生物呢?”

在评论的结尾处,他说,“而今的遗传学发现了一种机制,可以诞生更加丰富的生物多样性,并有可能创造更加美好的生物学未来。”