人工擴展鹼基與合成生命

人造鹼基的研究發展至今已有近30年的歷史，它又被稱為非天然鹼基對或人工擴展鹼基，是一種通過對鹼基的改造，人工設計合成的可以行使或模擬天然核酸功能，同時又具有相對獨立性的人造DNA。它的研究屬於合成生物學的一個重要分支——化學合成生物學的研究範疇。化學合成生物學(Chemical Synthetic biology)是用以設計、描述併合成自然界不存在的具有新型化學結構的功能生物大分子元件(如新型結構的核酸、氨基酸、小泡結構等)。

在人造鹼基近30年的研究歷史中，其研究並不僅限於人工擴展鹼基相關的複製、轉錄、翻譯，它們還被廣泛擴展到核酸檢測診斷技術、核酸適配體技術、核酸納米材料等領域。

2014年5月，這一領域終於取得了重大的進展。美國斯克里普斯研究所的一個研究組在《自然》雜誌上發表他們的研究成果，首次把含有UBP的DNA引入到了細菌（大腸桿菌）中。在提供DNA合成「原料」的條件下，這些DNA能被細胞準確複製，並分配到分裂產生的子代細胞中去，由於這些細菌的DNA含有自然界中此前從不存在的物資，所以通過這項研究，科學家相當於構建出了半人工生命。

2014年，Romesberg團隊在這一領域獲得了突破性的進展，他們在實現了dNaM-d5SICS的人造鹼基對的高效高保真體外PCR複製和轉錄之後，隨即啟動了將這一人工鹼基對應用於大腸桿菌體內的研究計劃。儘管在體外表現優異，但要將其成功的應用到生物體內顯然還必須面對更多的挑戰。首先，dNaM和d5SICS完全是由人工創造出來的非天然鹼基，因而Romesberg團隊面臨的第一個難題是如何保證細胞內有足夠的dNaMTP以及d5SICSTP單體以用於這種人工DNA的複製。為了解決這一問題，Romesberg FE研究組嘗試了一系列不同來源的核苷三磷酸轉運蛋白，最終發現一種海藻葉綠體的核苷三磷酸轉運蛋白PtNTT2能夠高效地將添加在培養基中的dNaMTP和d5SICSTP單體運輸到細胞質中。隨後，通過向培養基中添加磷酸鉀，該團隊又有效緩解了這兩種人工合成核苷三磷酸在培養基以及細胞內容易降解的問題。

此後，該團隊構建了一個含有一對人工鹼基對的質粒pINF，並且系統地研究了這個質粒在大腸桿菌中的複製情況研究發現，在開啟轉運蛋白PtNTT2表達以及培養基中添加相應的外源人工核苷三磷酸的情況下，這一半合成質粒能夠以適當的速度和準確度進行複製，並且幾乎不阻礙大腸桿菌細胞生長，也沒有明顯表現出其他失去非天然鹼基對的跡象。研究結果顯示，這一半合成質粒中的非天然鹼基對的複製保真性超過了99.4%，這一保真性與某些病毒的DNA聚合酶相當。新鹼基至少複製了24輪，並維持了近一周時間。當沒有這一轉運蛋白表達或是沒有新鹼基提供時，非天然鹼基d5SICS和dNaM將會逐漸被天然鹼基A、T、C、G所替換，並最終從基因組中完全消失。而這種鹼基替換已被證明源於DNA複製中的鹼基錯配而不是細胞內的DNA修復系統。

2014年5月7日，Romesberg領導的研究團隊在Nature上在線優先發表論文，宣告了包含一對人造鹼基對(dNaM-d5SICS)的六核酸分子半合成大腸桿菌的誕生。同期Nature為這一工作配發了評論，5月9日出版的Science也對這一工作作出了評論。這一工作可以說是迄今為止人造鹼基研究領域最為重要的「里程碑」之一，從而標誌著有關人造鹼基對的研究工作正式從體外步入了體內。

參考文獻：

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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