科學家創造出第一個包含 6 種 DNA 鹼基的生物

Scientists create first living organism that transmits added letters in DNA 'alphabet'
http://phys.org/news/2014-05-scientists-transmits-added-letters-dna.html

May 7, 2014

The Scripps Research Institute (TSRI) 的科學家改造了一種細菌，其遺傳物質包含額外增加的一對 DNA「字母」，或鹼基，那不存在於大自然中。只要持續供應這類分子的建構基石，這種獨特的細菌能夠正常複製這些非自然的 DNA 鹼基。

"地球上所有生物的多樣性都只以二對 DNA 鹼基（A-T 與 C-G）來編碼，而我們所製造的是一種能夠穩定包含第三對、非自然鹼基對的生物，" TSRI 副教授 Floyd E. Romesberg 表示，他領導研究團隊。"這證明其他用來儲存資訊的解決方案是可能的，當然，使我們更接近一種擴展的 DNA 生物學，那將有許多令人振奮的應用 -- 從新藥物到新的奈米科技。"

關於這項成就的報告出現在 2014 年五月七日的 Nature 期刊線上版。


許多挑戰

Romesberg 與他的實驗室從 1990 年代晚期就開始研究，要尋找一對分子，能夠成為新的、有用的 DNA 鹼基 -- 而且，原則上，能成為之前未曾存在過的蛋白質與生物體的編碼。

這不是一個簡單的任務。任何有用的新 DNA 鹼基對，都必須要能以一種可與自然的核苷鹼基對（nucleoside base-pairs）：腺嘌呤（A）-- 胸腺嘧啶（T）以及胞嘧啶（C）-- 鳥糞嘌呤（G）相比的親和力（affinity）結合。這樣的新鹼基也要能與自然的鹼基以一種如拉鍊般的 DNA 展開方式，穩定地並列。在 DNA 複製與轉錄成 RNA 期間，由自然的聚合酶酵素（polymerase enzymes）進行作業時，它們要能夠平順的拉開、拉上（DNA 拉鍊）。而且在某些時候，這些核苷闖入者，要能夠避免被自然的 DNA 修補機制攻擊與移除。

儘管有這些挑戰，在 2008 年時，Romesberg 等人在此目標上出現躍進；在那年發表的一項研究中，他們確認一組核苷分子，那能跨雙股 DNA 連接，狀況就跟自然鹼基對一樣棒，而且證明，包含這些非自然鹼基對的 DNA 能夠在正確酵素存在時被複製。在下一年出爐的一項研究中，研究者能將這種半合成 DNA 轉錄成 RNA 的酵素。

不過這項研究是在經過簡化的試管中完成。"這些非自然鹼基對在試管內美妙地運作，不過最大挑戰是使它們在活細胞內一種更複雜的環境下運作，" Denis A. Malyshev 表示，Romesberg 實驗室成員，這份新報告的第一作者。


微藻導致突破

在這項研究中，該團隊合成一段環狀 DNA，稱為質體（plasmid），並將之插入常見的細菌 -- 大腸桿菌 -- 的細胞內。質體 DNA 包含自然的 T-A 與 C-G 鹼基對以及表現最好的、由 Romesberg 實驗室所發現的非自然鹼基對 -- 這二種分子稱為 d5SICS 與 dNaM。目標是使大腸桿菌細胞盡可能正常地複製這些半合成 DNA。

所越過的最大障礙也許是使那些害怕新生命形態會任意釋出的人感到安心：d5SICS 與 dNaM 分子的建構基石不會自然地存在細胞中。因而，為了要使大腸桿菌複製包含這些非自然鹼基的 DNA，研究者得要人工添加分子的建構基石 -- 在細胞外添加到液體溶液中。接著，要使建構基石，稱為核苷三磷酸（nucleoside triphosphates），進入細胞內，他們還得要找到特殊的三磷酸鹽（triphosphate）運輸分子進行這項工作。

研究者最後終於找到一種由微藻（microalgae）物種所製造的三磷酸鹽運輸蛋白（transporter），那足以用來輸入非自然三磷酸鹽。"這對我們來說是一大突破 -- 一種可行的突破，" Malyshev 說。

雖然此計畫還要花一年的時間才能完成，不過不會再有這麼大的障礙出現。該團隊發現 -- 有點讓他們感到驚訝 -- 這種半合成質體的複製，不僅速度合理，而且也很準確，不會大幅阻礙大腸桿菌細胞的生長，而且沒跡象顯示，這些非自然鹼基對在 DAN 修補機制中消失。

"當我們停止讓非自然三磷酸鹽建構基石流入細胞中的時候，以自然鹼基對取代 d5SICS–dNaM 非常完美地與細胞本身的複製相依 -- 這裡似乎沒有其他因子將非自然鹼基對從 DNA 中刪除，" Malyshev 說。"有一件重要的事需要注意：這二種突破也提供了對系統的控制。新的鹼基對只有當我們開啟「鹼基運輸」蛋白時才能夠進入細胞。若無這種運輸蛋白或著沒有提供新的鹼基時，細胞將逆轉回 A, T, G, C，而且 d5SICS 與 dNaM 將從基因組中消失。"

接下來，將要證明這種新的、擴展的 DAN「字母」能在細胞內被轉錄成 RNA，那餵給細胞的蛋白質製造機。"原則上，我們將以非自然胺基酸製成的新蛋白質編碼 -- 在訂製具有所需功能之蛋白質療法、診斷以及實驗室試劑上，那將賦予我們前所未見的更大能力，" Romesberg 說。"其他應用，例如奈米材料，也有可能。"

※ 相關報導：

＊ A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet
http://dx.doi.org/10.1038/nature13314

Denis A. Malyshev, Kirandeep Dhami, Thomas Lavergne,
Tingjian Chen, Nan Dai, Jeremy M. Foster, Ivan R. Corrêa,
Floyd E. Romesberg.
Nature (2014)
doi: 10.1038/nature13314

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