XNA能否解开遗传之谜

光明日报,2012-08-02

DNA在探索生命起源的过程中，一直扮演着无可替代的重要角色。但如今，一类人工合成的聚合物出现了，它们能履行DNA的某些重要功能，甚至可以存储遗传信息，这些人工合成的聚合物被统一命名为“XNA”。有科学家说，XNA的出现也许能够在实验室里创造出遗传方式与地球现有生物不同的“另类生命”，从而揭示生命起源的秘密。

XNA：人工合成的DNA

今年4月20日，英国医学研究理事会（MRC）分子生物实验室的合成生物学家菲利普·霍利格尔在《科学》杂志上发表报告指出，研究人员在实验室中人工合成XNA，这一物质在许多关键功能上可以替代DNA。

人们知道，天然DNA具有双螺旋结构，由两条反向平行的多核苷酸链相互缠绕形成，这就像是衣服上的拉链，每个链条上有用于相互咬合的链齿和承载链齿的布条。在天然DNA的链条中，链齿是由A、G、C和T四种碱基构成，而承载它们的“布条”则是糖类和磷酸分子。

XNA的合成仍然遵循天然DNA的结构规律：它的核苷酸仍然由碱基、单糖和磷酸骨架三个部分组成。所不同的是，XNA的每一个部分都可用结构原理类似的物质来取代——这可以改变原来DNA的某些固有性能，达到不同的应用目的。

在正常的DNA“骨架”上，研究人员用不同于A、C、G、T四种碱基的人工合成的物质来进行遗传复制。菲利普·霍利格尔说，这样合成的物质可以和修饰过的糖“骨架”紧密结合，这些“骨架”可以抵抗化学降解，比天然DNA和RNA更加坚固。

所有这些XNA分子都可以与互补的DNA和RNA相结合。研究人员还设计了可从一个DNA模板来合成XNA的多聚酶，而其他的多聚酶可反向将XNA转录到DNA。遗传信息传递的准确度超过95％。这一系统使得由XNA编码的信息得到复制，而这正是遗传的基础。

实验表明，XNA链条和DNA链条之间能够互相结合，从而实现遗传信息的传递。XNA也能像DNA一样存储遗传信息，可以独立或部分参与遗传信息的传递，甚至自身进化，从而参与生命合成的过程。

什么是最早的遗传分子

由于DNA和RNA所依靠的糖相对比较复杂，难以在生命起源的早期产生，因此很多研究人员认为应该有一种简单的分子更先出现。于是，有些科学家认为XNA有可能是地球早期生命的遗传分子之一。“或许生命并不源于DNA和已知的蛋白质，生命可能起源于非常非常简单的结构。”

菲利普·霍利格尔说：“遗传系统和生物学并非必须以两种核酸——DNA和RNA为基础。”这是因为，实验结果说明，XNA已拥有DNA的两个关键功能——遗传和进化。换句话说，遗传和进化是可以利用DNA的替代品来实现的。“所以遗传和进化这两个生命标志不再限制于DNA和RNA。”由于人造的XNA在分子构成上与DNA并不完全相同，这说明DNA不一定是携带生命遗传密码的唯一载体。

这项理论的合作者称：“XNA的所有行为都将完全受控于实验者，这是100%人工的。”这种控制意味着科学家可以使用XNA解答非常基础的生物学问题，比如生命的起源。

其实，之前有研究表明，DNA和RNA的“近亲”——TNA就是这样一种结构简单的物质，正是由于这种简单性，一些科学家认为TNA有可能担负遗传使命。

TNA是苏糖核酸，它是XNA的一种，与DNA、RNA的不同在于构成其核苷酸的糖链为四碳糖苏糖，而DNA和RNA分别由脱氧核糖和核糖构成糖链。由于苏糖是一种比核糖更为简单的单糖，研究人员发现可以在天然酶的作用下以DNA为模板制备TNA。他们还发现TNA可以与DNA相配对结合，甚至可以扭转成DNA典型的双螺旋结构。因此，有研究人员认为TNA是“最早的遗传分子”有力的候选者。

虽然在目前的天然环境中并没有发现TNA，但地球现在的环境，与生命形成的最初时期相比，早已是天差地别，地球上是否曾经存在TNA，现在仍无法断定。

不用DNA遗传的“另类生命”

目前为止，地球上所有已知的生命都采用DNA来携带遗传信息。但科学家们一直在思考：地球上，甚至天体中，是否还存在其他可以编码遗传信息的物质？生命是否可能起源于其他生物大分子？是否可以根据DNA的结构原理和功能性质来人工合成与这些功能等价的大分子，从而制造一种与地球上由DNA所主宰生命不同的“另类生命”？是否能让这些经过人工改造过的生物大分子参与、干预，甚至改造正常生命过程？

有些人认为，地球上的生命始于不同种类的遗传物质，这些遗传物质如大杂烩似地经过混合，逐渐衍化为生命的最初形式。地球上的现存生物之所以都采用了DNA来携带遗传信息，是因为地球生命起源之初，环境中相应种类的分子数量较丰富。但是，有可能在宇宙中其他地方，还存在遗传方式不相同的生命形式。比如，如今发现的XNA和与它相适应的酶就可以创造一个简单的生命体系——既不受常规生物体系的干扰，又可以自己遗传下去，成为一个与现存生命真正“异构”的寄生者。

同时，由于XNA具备可编码基因和参与遗传过程的功能，这也表明在生命起源时，也许某些XNA也参与了创造生命，但后来显然被DNA和RNA淘汰。这为科学家提供了新的启发：也许，在尚未发现的地球生命和其他宇宙生命中，可能存在遗传物质并不相同的生命形式。

有研究人员表示，XNA的出现能够帮助科学家解析DNA如何在生命演化中变得如此至关重要，甚至有助于寻找地外生物。

这只是合成新生命形态的第一步。加利福尼亚州拉霍亚的斯克里普斯研究所的杰拉尔德·乔伊斯说，尽管现在研究人员可以高效的复制人工合成的基因，并且具有抗生物降解特性。但XNA仍然是依靠DNA衍生酶来复制。“这离真正合成一个人工生命形态还差十万八千里。但是，毫无疑问这项研究将预示着‘合成遗传学时代’的来临，将对外空生物学（研究地球外部生命的科学）、生物技术以及理解生命本身产生影响。以替代化学平台为基础构造遗传系统，最终可能走向新生命形式的合成。”