人工碱基与合成生命

摘 要:

人造碱基又被称为非天然碱基对或人工扩展碱基,是一种通过对碱基的改造,人工设计合成的可以行使或模拟天然核酸功能,同时又具有相对独立性的人造DNA。2014年,美国的一个研究团队在Nature发表论文,宣告包含一对人造碱基对的六核酸分子半合成大肠杆菌的诞生。这一工作可以说是迄今为止人造碱基研究领域最为重要的“里程碑”之一,标志着人造碱基对的研究工作正式从体外步入了体内。

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人造碱基的研究发展至今已有近30年的历史,它又被称为非天然碱基对或人工扩展碱基,是一种通过对碱基的改造,人工设计合成的可以行使或模拟天然核酸功能,同时又具有相对独立性的人造DNA。它的研究属于合成生物学的一个重要分支——化学合成生物学的研究范畴。化学合成生物学(Chemical Synthetic biology)是用以设计、描述并合成自然界不存在的具有新型化学结构的功能生物大分子元件(如新型结构的核酸、氨基酸、小泡结构等)。

在人造碱基近30年的研究历史中,其研究并不仅限于人工扩展碱基相关的复制、转录、翻译,它们还被广泛扩展到核酸检测诊断技术、核酸适配体技术、核酸纳米材料等领域。

2014年5月,这一领域终于取得了重大的进展。美国斯克里普斯研究所的一个研究组在《自然》杂志上发表他们的研究成果,首次把含有UBP的DNA引入到了细菌大肠杆菌)中。在提供DNA合成“原料”的条件下,这些DNA能被细胞准确复制,并分配到分裂产生的子代细胞中去,由于这些细菌的DNA含有自然界中此前从不存在的物资,所以通过这项研究,科学家相当于构建出了半人工生命。

2014年,Romesberg团队在这一领域获得了突破性的进展,他们在实现了dNaM-d5SICS的人造碱基对的高效高保真体外PCR复制和转录之后,随即启动了将这一人工碱基对应用于大肠杆菌体内的研究计划。尽管在体外表现优异,但要将其成功的应用到生物体内显然还必须面对更多的挑战。首先,dNaM和d5SICS完全是由人工创造出来的非天然碱基,因而Romesberg团队面临的第一个难题是如何保证细胞内有足够的dNaMTP以及d5SICSTP单体以用于这种人工DNA的复制。为了解决这一问题,Romesberg FE研究组尝试了一系列不同来源的核苷三磷酸转运蛋白,最终发现一种海藻叶绿体的核苷三磷酸转运蛋白PtNTT2能够高效地将添加在培养基中的dNaMTP和d5SICSTP单体运输到细胞质中。随后,通过向培养基中添加磷酸钾,该团队又有效缓解了这两种人工合成核苷三磷酸在培养基以及细胞内容易降解的问题。

此后,该团队构建了一个含有一对人工碱基对的质粒pINF,并且系统地研究了这个质粒在大肠杆菌中的复制情况研究发现,在开启转运蛋白PtNTT2表达以及培养基中添加相应的外源人工核苷三磷酸的情况下,这一半合成质粒能够以适当的速度和准确度进行复制,并且几乎不阻碍大肠杆菌细胞生长,也没有明显表现出其他失去非天然碱基对的迹象。研究结果显示,这一半合成质粒中的非天然碱基对的复制保真性超过了99.4%,这一保真性与某些病毒的DNA聚合酶相当。新碱基至少复制了24轮,并维持了近一周时间。当没有这一转运蛋白表达或是没有新碱基提供时,非天然碱基d5SICS和dNaM将会逐渐被天然碱基A、T、C、G所替换,并最终从基因组中完全消失。而这种碱基替换已被证明源于DNA复制中的碱基错配而不是细胞内的DNA修复系统。

2014年5月7日,Romesberg领导的研究团队在Nature上在线优先发表论文,宣告了包含一对人造碱基对(dNaM-d5SICS)的六核酸分子半合成大肠杆菌的诞生。同期Nature为这一工作配发了评论,5月9日出版的Science也对这一工作作出了评论。这一工作可以说是迄今为止人造碱基研究领域最为重要的“里程碑”之一,从而标志着有关人造碱基对的研究工作正式从体外步入了体内。

参考文献:

Malyshev DA, Dhami K, Lavergne T, et al. A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet. Nature, 2014, 509 (7500): 385-388.

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