人工合成DNA创造“全新微生物”
英国《自然》杂志７日公布的一项合成生物学研究显示，科学家首次将人工合成碱基对插入大肠杆菌的ＤＮＡ（脱氧核糖核酸）中，且并未影响其生长和复制过程。这一成果向利用合成技术“订制”特定生物组织迈进一步。
遗传物质ＤＮＡ由两条很长的糖链结构形成骨架，通过碱基对的结合形成稳定的螺旋结构。自然界的生命多姿多彩，最基本的碱基对却只有两种：腺嘌呤－胸腺嘧啶（Ａ－Ｔ）和胞嘧啶－鸟嘌呤（Ｃ－Ｇ）。但美国研究人员构建出一种自然界不存在的生物体，它稳定包含一种代号为“Ｘ－Ｙ”的人工碱基对。
美国斯克里普斯研究所等机构研究人员介绍说，将人工合成碱基对植入活体生物细胞需要克服诸多困难，比如人工碱基对需要与天然碱基对融合以保持ＤＮＡ结构稳定。此外，ＤＮＡ在自我复制及转录为ＲＮＡ的过程中，人工碱基对必须能在拉链样结构的ＤＮＡ链中成功地“分分合合”，还要避免被ＤＮＡ修复机制当作“外来者”而清除掉。
在最新研究中，研究人员合成了一段包含天然碱基对和人工碱基对的ＤＮＡ，将其插入大肠杆菌细胞中。研究的突破之一是发现了一种特殊的转运分子，这种由一种微藻生成的三磷酸转运蛋白，能够运输人造碱基对进入细胞。结果显示，ＤＮＡ能以适当的速度和准确度进行复制，被改造的大肠杆菌细胞仍继续生长，人工碱基对也没有被去除。 研究负责人、斯克里普斯研究所的罗姆斯伯格介绍说，虽然此次研究中的人工碱基对还不能参与制造新型蛋白质，但从理论上说，引入Ｘ－Ｙ碱基对可将构成蛋白质的氨基酸提升到１７２种，而目前生物体内的蛋白质是由２０种基本氨基酸构成的。
研究人员还强调说，公众不必担心这种自然界不存在的大肠杆菌逃出实验室及其可能造成的危害，因为人工合成碱基对在实验室外无法复制，它们进入细胞必须借助特殊的转运蛋白。
合成生物学近年来的一大研究焦点就是通过化学手段合成人工碱基对，在其中加入特定的遗传信息，希望最终能制造出具有特定功能的蛋白质乃至生物组织，用于生物医疗等领域。
北京时间1月25日消息，据国外媒体报道，美国加州斯克利普斯研究所（Scripps Research Institute）的研究人员近日用一段延伸的遗传密码创造了一种“全新”的生命形式。科学家向大肠杆菌中引入了一些该细菌中本不存在的DNA分子。虽然修改后的大肠杆菌遗传密码中多了两个片段，但仍能像正常细菌一样生长和复制，这为科学家创造全新的人造生命奠定了一定基础。
研究人员称这些经过修改的微生物为科学家提供了”创造拥有全新特征属性的微生物“的契机。未来科学家可能会着手研发能够生产新型蛋白质的微生物，这或许能帮助我们发明新药物，并取得纳米技术的重大突破。
研究人员其实在2014年就培育出了这些微生物，但它们只存活了一段很短的时间。如今该团队终于找到了使它们保持活力的方法，并且在复制时，它们的合成DNA还能遗传给下一代。 斯克利普斯研究中心的首席科学家罗梅斯伯格博士（Dr Romesberg）指出：“你的基因组不仅要在一天之内保持稳定不变，在你的一生中都必须如此。如果人工合成的生物要成为真正的生物，就必须使遗传信息保持稳定不变。”他们还对细菌进行了编辑，清除了所有不含合成DNA的细菌DNA。
不过，有些人对“合成生物学”的快速进步表示担心，认为新型生物可能会从实验室中逃逸、造成无法预料的后果。天然的DNA由四个“字母”组成，分别为A（腺嘌呤）、C（胞嘧啶）、G（鸟嘌呤）、和T（胸腺嘧啶）。而DNA的“近亲”RNA中还包含另一个“字母”，即U（尿嘧啶）。A、C、G、T两两构成“碱基对”，不同的排列顺序决定了不同的生命形式。
“虽然地球上的生命多种多样，但都由两种碱基对构成：A-T与C-G。而我们培育的微生物中还含有第三种、自然界中不存在的碱基对。”罗梅斯伯格博士说道。这一新型碱基对由X和Y构成，不存在于自然界中，因此含有该碱基对的细菌是一种全新的生命形式。
罗梅斯伯格博士表示：“这说明还存在其它储存遗传信息的方式，也意味着延伸DNA生物学具有很大的潜力，能帮助我们研发新药物、或是新型纳米技术。”此次研究向活细胞中加入了一种全新的碱基对，而这一过程在进化史中经历了十亿年之久。
2008年，罗梅斯伯格博士带领的研究人员团队成功在试管中复制出了一种自然界中不存在的碱基对。他们还将这一“半合成”的DNA转录成了RNA，向创造新型蛋白质迈出了第一步。但活细胞内部环境十分复杂，实施同样的步骤面临着巨大的挑战。
为解决这一问题，科学家先是将人造碱基对分子d5SICS（Y）和dNaM（X）加入到细胞外的一种溶剂中。接着，该研究的共同作者约克·张（Yorke Zhang）和布莱恩·莱姆（Brian Lamb）研发了一种名为核苷酸转运剂（nucleotide transporter）的工具，将它们送到细菌细胞内部。
“这是一次巨大的突破，对我们起到了极大帮助。”共同作者丹尼斯·马里谢夫博士（Dr Denis Malyshev）表示。研究人员在2014年使用的核苷酸转运剂对细菌造成了破坏，但他们通过修改解决了这一问题。
他们对人工合成的Y碱基进行了改良，对它的化学组成做了一些修改，使细胞更易于复制碱基对。科学家还合成了一些名叫质粒（plasmids）的环状DNA，将它们嵌入大肠杆菌基因组中。其中含有天然的A-T与C-G碱基对，还有人工合成的d5SICS-dNaM碱基对。
虽然这些质粒不属于细菌本身的染色体DNA，但它们也参与了细胞的复制过程。令研究团队惊讶的是，这些半合成的质粒并未对大肠杆菌的生长造成严重影响，也没有在复制过程中丢失。
接下来，科学家希望证明细胞中人工合成的DNA也能转录成RNA分子，并参与细胞中的蛋白质合成过程。“从理论上来说，我们可以用自然界中不存在的新型氨基酸合成新型蛋白质，这能帮助我们更好地将蛋白质用于治疗和诊断中，还能制成拥有特定功能的实验室试剂。在纳米材料等领域，它或许也能一展身手。”
针对此次研究结果，德州大学的罗斯·泰尔（Ross Thyer）和杰瑞德·埃尔夫森（Jared Ellefson）评论道：“如果该技术……也能用于其它碱基对，那么DNA碱基对将远远不止三种。”
“这也让我们深思，为何自然界的生命仅由两种碱基对组成？半合成微生物既然能储存更多遗传信息，是否能拥有更多的功能、或忍受更严酷的环境？”
“科学家试图扩展遗传密码子，对DNA的天然特性勇敢地发起了挑战。而他们试图修改DNA的做法也可能会招致人们的批评。”
