據(jù)報(bào)道，數(shù)十億年來(lái)，地球上所有的生命都是以簡(jiǎn)單的A，T，C和G來(lái)書(shū)寫(xiě)的。它們構(gòu)成DNA的結(jié)構(gòu)，存在于所有的生命體內(nèi)。而現(xiàn)在，這份字母清單可能要延長(zhǎng)一些了。研究人員表示他們創(chuàng)建了一個(gè)具有生命的人工細(xì)胞，其中含有兩類(lèi)“外來(lái)”的DNA構(gòu)件。

很多科學(xué)家將這項(xiàng)成果視作重大突破，是通向合成特殊細(xì)胞的重要一步——這樣的細(xì)胞將可以產(chǎn)生藥物或是其他有用的分子物質(zhì)。甚至它還開(kāi)啟了這樣一種可能性，那就是有朝一日我們將不必再借助現(xiàn)有的4個(gè)DNA組件便能人工構(gòu)建一個(gè)細(xì)胞體。

弗洛伊德·羅姆斯貝格(Floyd Romesberg)來(lái)自美國(guó)加州拉約拉的斯克里普斯研究所，也是這項(xiàng)持續(xù)了15年研究工作的領(lǐng)導(dǎo)人。他表示：“我們現(xiàn)在所得到的是一個(gè)活的細(xì)胞，其中儲(chǔ)存著遺傳信息。”他們的研究論文發(fā)表在了今天出版的《自然》雜志上。

DNA是雙螺旋結(jié)構(gòu)。它的每一條鏈條都是以一條糖分子鏈作為主干，并在其上連接一些次級(jí)結(jié)構(gòu)，如化學(xué)堿基對(duì)形成的。一共存在4種不同的堿基：腺嘌呤(A)、鳥(niǎo)嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)。這些不同的字母都代表了組成蛋白質(zhì)的氨基酸不同的編碼方式。堿基將兩條DNA鏈條連接在一起，其中A總是與對(duì)面鏈條上的T相連接，而C則與G對(duì)應(yīng)。

試管中的字母

科學(xué)家們從上世紀(jì)1960年代開(kāi)始便開(kāi)始思考這樣的問(wèn)題：使用其他的化學(xué)組合方式，是否同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的存儲(chǔ)？但一直到1989年才由瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)的史蒂芬·貝納(Steven Benner)和他的研究團(tuán)隊(duì)首次成功地將經(jīng)過(guò)改造的胞嘧啶(C)以及胸腺嘧啶(T)植入DNA之中。在試管中進(jìn)行的反應(yīng)測(cè)試中，帶有這些被貝納教授稱(chēng)之為“有趣字母”的DNA鏈條成功地進(jìn)行了自我復(fù)制并產(chǎn)生RNA和蛋白質(zhì)。

而根據(jù)貝納的說(shuō)法，此次羅姆斯貝格研究組得到的堿基則改動(dòng)更大，與自然界的4大天然堿基成分之間的差異更為顯著。在一篇2008年發(fā)表的文章以及在后續(xù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，該研究組報(bào)告了在60種候選堿基中進(jìn)行配對(duì)努力，并嘗試了超過(guò)3600種組合方式。在這一過(guò)程中他們識(shí)別出一個(gè)堿基對(duì)，分別被稱(chēng)作“d5SICS”以及“dNaM”，這一堿基對(duì)看上去比較有希望能夠成功。其中關(guān)鍵的一點(diǎn)是這些分子本身必須與催化酶機(jī)制相匹配，后者的任務(wù)是幫助進(jìn)行DNA復(fù)制和解譯。

丹尼斯·馬萊謝夫(Denis Malyshev)是一位此前畢業(yè)于羅姆斯貝格實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生，也是這篇最新研究論文的第一作者。他表示：“我們那時(shí)甚至根本就沒(méi)有想過(guò)我們竟然最終會(huì)創(chuàng)造一個(gè)植入這種堿基對(duì)的細(xì)胞體。”通過(guò)試管實(shí)驗(yàn)，研究組成功地讓他們研制的經(jīng)改造的堿基對(duì)實(shí)現(xiàn)復(fù)制并產(chǎn)生RNA。這需要使他們制作的堿基能夠被酶所識(shí)別，而這些酶此前只能識(shí)別A，T，C和G。

制造一種人造生命體面臨的第一項(xiàng)挑戰(zhàn)便是讓細(xì)胞接受外來(lái)的堿基，使它們可以在多次的細(xì)胞分裂過(guò)程中維持DNA分子，在這一過(guò)程中DNA會(huì)被復(fù)制。研究組對(duì)大腸桿菌進(jìn)行改造，使其能夠表達(dá)一個(gè)來(lái)自硅藻的基因，后者是一種單細(xì)胞的藻類(lèi)。這種表達(dá)過(guò)程的結(jié)果是得到一種蛋白質(zhì)，其可以允許分子透過(guò)大腸桿菌的外膜。

研究組制作了一小段的DNA，稱(chēng)作質(zhì)粒，其中包含一對(duì)外來(lái)的堿基對(duì)，并將其注入大腸桿菌。隨著硅藻的蛋白質(zhì)為外來(lái)的核苷酸供應(yīng)養(yǎng)分，這一質(zhì)粒成功實(shí)現(xiàn)了自我復(fù)制，并在接下來(lái)近一周的時(shí)間里在大腸桿菌不斷的分裂中將自身復(fù)制到了新分裂產(chǎn)生的個(gè)體之中。而當(dāng)來(lái)自蛋白質(zhì)的養(yǎng)分供應(yīng)最終耗盡時(shí)，大腸桿菌便重新用天然的組分替換掉了此前注入的外來(lái)成分。

外來(lái)控制

馬萊謝夫?qū)⒖刂仆鈦?lái)DNA被吸收的能力作為一旦這些人造細(xì)胞泄漏到實(shí)驗(yàn)室外之時(shí)的一種安全手段。但其他研究人員，包括貝納，都在致力于對(duì)細(xì)胞進(jìn)行改造，使其能夠直接產(chǎn)生某些外來(lái)的堿基，從而直接免掉培養(yǎng)的過(guò)程。

羅姆斯貝格的研究組目前正嘗試讓外來(lái)的DNA能夠去編碼蛋白質(zhì)，而不是去解碼那20種共同構(gòu)成自然界所有蛋白質(zhì)的氨基酸。氨基酸是由三個(gè)DNA堿基構(gòu)成的密碼子實(shí)現(xiàn)編碼，因此額外添加的兩個(gè)外來(lái)DNA“字母”將會(huì)極大地提升細(xì)胞對(duì)新的氨基酸進(jìn)行編碼的能力。羅姆斯貝格表示：“如果一本書(shū)只能用4個(gè)字母來(lái)寫(xiě)，你就很難敘述一些有趣的故事。而如果允許你使用更多的字母，你就能發(fā)明新的單詞，找到使用這些單詞的新方法，或許你就能講述更為有趣的故事。”

這項(xiàng)技術(shù)具有哪些潛在的應(yīng)用前景呢？首先，我們可以將有毒的氨基酸植入蛋白質(zhì)，從而確保它只會(huì)攻擊兵殺死癌細(xì)胞。另外，這項(xiàng)技術(shù)還可以被應(yīng)用于熒光氨基酸，從而幫助科學(xué)家們?cè)陲@微鏡下追蹤生物反應(yīng)的進(jìn)行。羅姆斯貝格的研究組目前已經(jīng)找到一家位于加州圣迭戈的名為“Synthorx ”的公司，試圖實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)工作的商業(yè)化。

羅斯·泰爾(Ross Thyer)是來(lái)自德州大學(xué)奧斯丁分校的合成生物學(xué)家，也是相關(guān)論文的合著者。他表示：“是擴(kuò)展我們能力的一次飛躍。”現(xiàn)在存在這樣的可能性，那就是賦予外來(lái)DNA編碼新型氨基酸的能力。

貝納表示：“在學(xué)界很多人認(rèn)為羅姆斯貝格的結(jié)果是不可能實(shí)現(xiàn)的。”之所以如此，是因?yàn)樯婕?/span>DNA，如復(fù)制過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)都必須極度注意避免突變的發(fā)生。

改造過(guò)的大腸桿菌中含有數(shù)百萬(wàn)的DNA堿基對(duì)，其中只有一對(duì)是外來(lái)的。但貝納認(rèn)為沒(méi)有理由認(rèn)為未來(lái)制造出完全由外來(lái)基因構(gòu)建的細(xì)胞是不可能的。他表示：“我不認(rèn)為這里存在界限。如果你回到過(guò)去，重復(fù)40億年的演化歷史，你會(huì)得到一個(gè)完全不同的遺傳體系。”

但要想制造一個(gè)完全的合成生命體將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。羅姆斯貝格表示：“很多時(shí)候人們會(huì)說(shuō)你將會(huì)制造出一個(gè)完全由非自然的DNA合成的生命體。”他說(shuō)：“但那并不會(huì)發(fā)生，因?yàn)榇嬖谔嗄苤匦陆M織DNA的因素了，它融合在細(xì)胞生命的方方面面之中。”