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Science:人造生物Hachimoji,八碱基生命体!

2019-03-15
Science:人造生物Hachimoji,八碱基生命体!

nature解读:

四个新的DNA字母加倍了生命的字母表

原文https://www.nature.com/articles/d41586-019-00650-8


合成DNA生命似乎表现得像天然物种,表明超越大自然的四个熟悉碱基的化学物质可以维持地球上的生命。


地球上的生命DNA自然地将其信息存储在四种关键化学物质中 - 鸟嘌呤,胞嘧啶,腺嘌呤和胸腺嘧啶,通常分别称为G,C,A和T。


现在,科学家们将这一生命构建模块的数量增加了一倍,这是第一次创造出一种合成的八字母遗传语言,它似乎像天然DNA一样存储和转录信息。


在2月22日发表在Science上的一项研究中,由佛罗里达州Alachua应用分子进化基金会创始人Steven Benner领导的一个研究小组建议,从理论上讲,扩展的基因字母表也可以支持生命。


“这是一个真正的里程碑,”加利福尼亚州拉霍亚斯克里普斯研究所的化学生物学家Floyd Romesberg说。这项研究表明,在地球上进化的四种化学物质并没有特别“神奇”或特殊的含义。“这是一个概念上的突破,”他补充道。


通常,当一对DNA链在双螺旋中彼此扭转时,每条链上的化学物质成对:A与T配对,C与G配对。

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长期以来,科学家一直试图在这种遗传密码中添加更多对这些化学物质,也称为碱基。例如,Benner在20世纪80年代首次创建了“非自然”碱基。其他团体纷纷效仿,罗西斯伯格的实验室在2014年将一对非天然的碱基插入活细胞后成为头条新闻。


但最新的研究是第一次系统地证明互补的非天然碱基彼此识别并结合,并且它们形成的双螺旋保持其结构。


Benner的团队,包括来自美国各公司和机构的研究人员,通过调整常规碱基的分子结构来创建合成字母。DNA字母配对因为它们形成氢键:每个都含有氢原子,它们被伴侣中的氮或氧原子吸引。Benner解释说,当孔和叉子对齐时,它有点像乐高积木。


通过调整这些孔和尖头,该团队提出了几对新的基础,包括一对名为S和B,另一对称为P和Z。在最新的论文中,他们描述了他们如何将这四种合成基质与天然基质结合起来。研究人员将日语单词“八”和“字母”称为八字母语言“hachimoji”。附加的基底各自的形状与天然的四个相似,但它们的粘合图案有变化。


然后研究人员进行了一系列实验,结果表明它们的合成序列与天然DNA共享属性,这对于支持生命至关重要。


数据检索

作为信息存储系统,DNA必须遵循可预测的规则,因此团队首先证明,与常规碱基类似,合成碱基可靠地形成配对。他们创造了数百个合成DNA分子,发现这些字母可以预测地与他们的伙伴联系在一起。


然后他们表明,无论合成碱基的顺序如何,双螺旋结构都保持稳定。这很重要,因为在生命进化过程中,DNA序列需要能够变化而不会使整个结构分崩离析。利用X射线衍射,研究小组表明合成DNA的三个不同序列在结晶时保持相同的结构。


英国剑桥分子生物学MRC实验室的合成生物学家Philipp Holliger表示,这是一项重大进展,因为扩展遗传字母表的其他方法并不具有结构性。这些其他方法使用防水分子作为其基础,而不是使用氢键配对的化学物质。这些可以在自然字母之间间隔放置,但如果它们排成一排,则DNA的结构会分解。


最后,该团队表明合成的DNA可以忠实地转录成RNA。“对于进化来说,存储信息的能力并不是很有趣,”Benner说。“你必须能够将这些信息转移到做某事的分子中。”


将DNA转化为RNA是将遗传信息转化为蛋白质的关键步骤,蛋白质是生命的主力。但是一些称为适体的RNA序列本身可以与特定分子结合。


Benner的团队创建了编码特定适体的合成DNA,然后确认转录发生并且RNA序列正确运行。


Holliger说这项工作是一个令人兴奋的起点,但在达到真正的八字母合成遗传系统之前还有很长的路要走。例如,一个关键问题是合成DNA是否可以被聚合酶复制,聚合酶是在细胞分裂过程中负责在生物体内合成DNA的酶。这已经在其他方法中得到证明,例如使用防水碱的Romesberg's。


各种生命

尽管如此,Benner说,这项工作表明生命可能得到DNA基础的支持,这些DNA基础与我们所知道的四种结构不同,这可能与寻找宇宙中其他地方的生命签名有关。


向DNA添加字母也可以有更多的实际应用。


随着遗传构建模块的多样性,科学家们可能创造出能够比标准四个字母做得更好的RNA或DNA序列,包括遗传存储之外的功能。


例如,Benner的研究小组之前表明,与仅含有标准四碱基的序列相比,包含Z和P的DNA链更能与癌细胞结合3。Benner已经成立了一家公司,将合成DNA商业化用于医疗诊断。


研究人员可能会使用他们的合成DNA来创造新的蛋白质和RNA。Benner的团队还开发了更多的新碱基,开辟了创建含有10个甚至12个字母的DNA结构的可能性。但罗伯斯伯格表示,研究人员已经将遗传字母表扩展到8个这一事实本身就是非常了不起的事实。“它已经加倍了大自然的含义。”


知乎答主孟凡康解读;宇宙无垠,生命的可能无穷无尽。

美国科学家在《科学》杂志发文,介绍了合成生物学领域的新突破:”八碱基生命体Hachimoji“。这与2017年年底发表的六碱基半合成生命体有何区别?这将为合成生物学乃至整个生物学领域带来何种意义和价值?

知乎答主:孟凡康 

成生物学/Bioengineer/Biodesigner

中国科学院大学遗传学博士在读

A 《科学》发表的合成生物学新突破「八碱基遗传生物体Hachimoji」主要讲述了哪些内容?

简单来说:研究人员人工开发了两对新的核苷酸碱基对,分别是S:B和Z:P。这两种新的碱基对均以氢键形式配对,具有储存遗传信息、满足达尔文进化需求、满足遗传信息传递的能力。这项工作将原本人体内的4种核酸碱基拓展到了8种核酸碱基,进一步丰富了生命的遗传信息,拓展了生命进化方向以及宇宙中生命存在的可能性。

Hachimoji DNA:dA-dT、dC-dG、dZ-dP、dS-dB以及对应的RNA:A、U、C、G、Z、P、S、B

接下来我将简要介绍这篇文章工作的具体内容:

1. 首先研究团队通过计算工具和实验数据分析了ATCGSBZP八种碱基配对的热力学相互作用,结果表明新碱基之间的配对与自然的碱基配对的相关参数几乎无差别,作者从这一角度认为,新的四种合成碱基拓展了现有的自然碱基系统,实现了相同的互补配对性能,这八种碱基可以组成的新的生命信息储存系统。

Hachimoji DNA配对体间的热动力学分析

2. 紧接着,研究人员通过核酸结构分析了不同碱基配对间的结构差异,这里的信息有些繁琐,主要的结果是Hachimoji DNA主要是形成B型结构,每个螺旋大约是10.2-10.4个碱基对。Hachimoji DNA的大沟和小沟结构彼此相似,且和GC碱基对类似,但是与AT碱基对略有差别。

但是即使存在和自然碱基的差别,但是研究人员认为Hachimoji DNA满足薛定谔认为的“非周期性晶体”才能形成达尔文系统的要求。这说明Hachimoji DNA可以与自然系统一起组成“可突变的信息存储系统”,也就是可以进行达尔文进化。

Hachimoji DNA的结构

3. 然后研究人员继续验证了Hachimoji DNA遗传信息是否可以被转录。研究人员首先尝试的是经典的T7 RNA聚合酶(来自T7噬菌体)来试图转录Hachimoji DNA,但是发现经典的T7 RNA聚合酶无法成功转录dB-S这一组合。但是研究人员尝试了T7 RNA聚合酶的突变体(通过进化得到)后成功的实现了4对碱基对的转录过程(进化还是强大啊)。这也说明了,Hachimoji DNA遗传信息是可以被转录的。

4. 最后,研究人员利用Hachimoji DNA体外转录出了具有RNA功能的RNA aptamer(适体),这种aptamer在结合3,5-difluoro-4-hydroxybenzylidene imidazolinone化学分子时会产生荧光。实验结果也观察到了具有合成碱基的RNA aptamer在结合化学分子成功的产生了荧光。这也证明了具有合成碱基的RNA也能行使具体的生物化学功能。

Hachimoji RNA 的结构和生物化学功能

B 这与2017年年底发表的“六碱基半合成生命体”有何区别?

关于2017年年底《自然》发表的“六碱基半合成生命体”工作,我曾经在知乎上写到:

总体来说,我认为这篇文章的工作的确是推动了半合成生命领域的继续前进。在我的认知范围内我认为主要有以下几点亮点: 

1. 真正在最经典的中心法则(DNA-RNA-Protein)中加入非天然、正交的物质,创造了能够稳定储存(Store)非天然核酸遗传信息并且能够将非天然遗传信息解码(decode)成非天然氨基酸(蛋白质)的半合成生命。将原来单独的非天然核酸和非天然氨基酸部分统一在了一起。 

2. 极大的拓展了可以利用的遗传信息。在核酸方面,6个碱基,3个碱基对可以极大的拓展可以编码的遗传信息,同时可以在体内引入更多的非天然氨基酸。我们知道原来我们引入非天然氨基酸主要利用的是生物体内的终止密码子TAG。为此George Church还构建了C321.△A,将大肠杆菌体内的终止密码子TAG完全去除掉了。现在他们还在构建只含有57个密码子的生命体,为的也是解放多余的密码子用于引入非天然氨基酸。那么现在的工作在一定程度让George Church的工作显得重要性没有那么高了。因为在DNA中引入一对非天然核苷酸,理论上3个核苷酸对可以创造216(6*6*6)个密码子,最高可以在体内引入173种氨基酸(216-64+20+1)。【PS 自然杂志中说是172种氨基酸,我认为就目前人类的科学进展来说是173种。我们知道常见的64种密码子可以引入20种氨基酸,剩下的216-64=152种含有非天然核苷酸的密码子可以引用152种新的氨基酸,此时为172种。然后我们忘记了,其实我们很早就可以在TAG终止密码子上引用非天然氨基酸了。2010年George Church发表C321.△A的工作之后我们更顺利的在TAG密码子上引入氨基酸,避免了TAG作为终止密码子和功能密码子两种功能之间的竞争。所以目前来说应该是152+20+1=173种。】 

3. 在生物安全领域,这项工作的影响也是很大的。我们向完全正交化的生命更近了一步,好吧,其实离终极目标还是很远的。不过更加正交化的生命可以解决合成生物学所面临的生物安全问题。遗传改造生物(Genetically Modified Organisms,GMO)可以更好的被防控在实验室范围内,不会泄露在自然环境中破坏生态平衡。同时这也会使基于细胞的生物疗法在治疗过程中更加安全。

4. 同时我们可以通过引入非天然氨基酸在生物中引入更多的功能,这一点我们可以探索的空间是相当巨大的。

同样在这篇工作中,我认为其带来的诸多优点与2017年的工作是类似的,比如拓展的遗传信息,潜在的应用价值等等,同时我认为有以下几点区别:

1. 2019年这篇《科学》工作的Hachimoji合成碱基利用和自然界相同的氢键进行碱基互补配对,但是2017年的《自然》的X-Y碱基利用的疏水相互作用。

在这篇Hachimoji合成碱基的工作的开头就怼了2017年的“半合成生命体”的工作,主要是阐述了利用疏水相互作用进行碱基配对的劣势:

Pairs lacking interbase hydrogen bonds evidently must be flanked by pairs joined by hydrogen bonds;
Hydrophobic pairs can slip atop each other; 
Shortening the rung in the DNA ladder ;
Distorting the double helix ;
Damaging the aperiodic crystal uniformity of the duplex;

2. 2019年这篇《科学》工作的Hachimoji合成碱基主要是在体外完成的相应的实验,而2017年的“半合成生命体”的工作则是在细菌中完整了引入了一对非天然的碱基,然后实现了非天然脱氧核苷酸-非天然核苷酸-非天然氨基酸的存储-转录-翻译过程。而Hachimoji合成碱基的工作只做到了转录的步骤,没有做或者没有发表后续在翻译层次的工作。

所以简单来说,以我之见,2019年这项Hachimoji合成碱基的工作亮点是利用了更加稳定的氢键配对的合成碱基,而2017年的半合成生命体则是在生命体中真正在最经典的中心法则(DNA-RNA-Protein)中加入非天然、正交的物质,创造了能够稳定储存(Store)非天然核酸遗传信息并且能够将非天然遗传信息解码(decode)成非天然氨基酸(蛋白质)的半合成生命。

C 这项工作这将为合成生物学乃至整个生物学领域带来何种意义和价值?

1. 这项合成生物学的工作使得一个拥有八碱基的生物成为可能。这在很多方面都具有应用的潜力,比如对DNA进行标记,通过化学方法的合成碱基上加入可以通过光学手段分析的基团结构,或者建立出一套完成的DNA-RNA-蛋白质的信息储存-转录-翻译系统。或者利用合成碱基的性质设计一些纳米结构等等,比如前些时候MIT的科学家就发明了一个DNA折纸工具,可以利用DNA设计各种复杂二级结构。而合成碱基的增加更是增加了这种纳米结构的丰富度,更代表更多潜在的功能的实现。

2. 同时我们也知道现在在合成生物学领域开发了多种RNA调控工具(RiboJ、Tohold switch,RiboSwitch等等),生物信息学和细胞生物学研究也在不断的发生各种具有功能的RNA结构用于调控生命的功能,合成碱基的增加不仅仅丰富了DNA的信息内容,也增加了RNA潜在的结构功能,这也有可能为我们带了更多高效和强大的调控工具,在医疗、工业生产、基础研究等领域均具有很大的潜力。

3. 同时这项目工作也再次让我惊叹于生命的可能性。我在平时和同学聊天的时候经常提起这个话题?生物进化的方向是唯一的吗?地球上的生物进化是不是只是选择了其中的一种方向?为什么碱基只有四种?为什么大部分的生物常见的氨基酸只有20种?难道生命的形成必须受到这些限制吗?然后几年来越来越多的生物学发现和合成生物学工作让我相信,生命觉不一定就是这样的,地球的生命的仅仅只是进化的一个方向,地球生命本可以有更多的选择的,只不过是我们选择了其中的一条路而已。

上面这张图是我在作报告交流时经常用来调侃的一张图。左边是“Life designed by Nature”,通过亿年的进化,我们从猿人变成了“程序猿(员)”,当然这只是一个调侃;右边是一张解释“Life designed by Synthetic biologist”的图,图中写道“超越自然:合成生物学将生物系统的研究拓展到了未曾存在的生命领域”,图中红色的箭头是代表着是我们地球选择的进化方向,而蓝色的区域是进化未曾探索的领域,而这些领域正是合成生物学正在探索的方向。

正如这篇《科学》文章中所说的:

“These results expand the scope of molecular structures that might support life, including life throughout the cosmos.”

此刻,请想象一下,宇宙中无数的星球上,不同的生命正在探索者不同的进化方向,阐述着无数生命的可能,那里有闪烁着钻石光芒的硅基生命,也有耐受极度寒冷和超高辐射的生命王国,甚至还有可以不断变换形态的气态生命......

仰望星空,这样的宇宙让人遐想无限,让人无比期待,让人感动不已。


孟凡康解读内容经孟凡康同意转载。