DNA改造 - 遗传基因新密码

819浏览 分类:Z生活记 2020-06-06

根据美国加州Scripps研究机构2014年5月7日的报导,该机构的科学家已成功将一对非存在于自然界的基因密码,透过基因工程转殖至细菌内,该特殊细菌只要能获得分子结构单元1的供应,能相当正常地複製非天然DNA硷基对。

该机构的Floyd E. Romesberg学者表示,地球上多样的所有生物体DNA都是由两对的基因硷基,A-T和C-G编码形成,不过他所领导的研究团队成功地在大肠桿菌,再加上第三对、非天然的硷基对2,这显示其它的方式也有可能储存讯息,带领人类更进一步认识基因生物学的未来发展,未来它可能带来更多令人兴奋的应用,例如新的药物开发,甚至新型奈米科技。该研究成果刊载于2014年5月7日科学期刊「Nature」线上版。

许多挑战

DNA改造 : 遗传基因新密码

图片来源:flickr@skreck

从1990年代末期,Romesberg和同事就一直研究去找寻一对分子,能作为新的、有功能的基因硷基对,原则上能编码合成过去未曾出现的蛋白质或生物体。

这项挑战并非容易,任何具有功能、新型的一对基因硷基,必须具有相当于天然的核苷硷基对A-T 与C-G互相键结的亲和力。新型基因硷基对,也要能沿着基因双股展开链上稳定地排列;于DNA複製与转录至RNA过程,在天然聚合酶作用下,它们需要能稳定地解开及结合DNA。另外,这些非天然核苷入侵者,也要避免受到DNA修复机制3的攻击或移除。

虽然面临这些挑战,在2008年以前,Romesberg与研究同仁已经朝向目标跨出一大步,当年他们的研究报告已成功找到一些核苷分子对,能像天然基因硷基对,紧紧地附着在双股DNA上,并证实在适当酵素存在状况下,含有非天然硷基对的DNA也能複製。在2009年,研究人员已能够找到适当酵素,将此半合成DNA4(semi-synthetic DNA) 转录变成RNA。

但是这些研究工作仅在简化的试管内环境进行。Romesberg 实验室的Denis A. Malyshev,也是该篇新论文的第一作者,认为「这些非天然的硷基对,在试管内环境下能正常运作,但更大的挑战是将它们转殖入至较为複杂的活细胞环境中运作。」

微藻带来重大突破

研究团队在最近研究中合成一小环状DNA,称作质体,并将它转殖入常见的大肠桿菌内。此质体DNA除了有天然的A-T与C-G基因硷基,同时有由d5SICS与dNaM组成的非天然基因硷基对,其目的是让大肠桿菌儘可能正常地複製半合成DNA。

最大的障碍可能是让那些害怕新型生物体被释放至外界而无法获得控制的人感到放心,细胞内d5SICS与dNaM的分子结构单元并非天然,因此让大肠桿菌去複製DNA非天然硷基对,研究人员必须在细胞浸泡溶液中供应分子结构单元,以便让核苷三磷酸4进入细胞内,因此需要寻找特殊的三磷酸运输蛋白5来负责这项工作。

研究团队终于发现有一种微藻,其合成的三磷酸运输蛋白,能够足以输送此非天然核苷三磷酸,此发现带来突破性进展。

研究团队惊讶地发现,半人工合成的质体能以相当的速度与正确度进行複製,且不会严重地阻碍大肠桿菌的成长,也未受到DNA修复机制而失去非天然硷基对。当研究团队停止供应非天然核苷三磷酸的组合成分进入细胞内,细胞会使用与细胞複製高关联性之天然硷基对,去取代d5SICS与dNaM分子。另外似乎无其它因子从DNA中,去除非天然硷基对。重要的是,只有启动硷基运输蛋白,新发现的非天然硷基对才能进入细胞内。无此运输蛋白、或未供应新型硷基对分子结构单元,细胞将回复到A,T,C,G,d5SICS与dNaM分子将自基因库消失。

下一阶段的研究工作,将要去证明DNA中新型硷基对是否能在细胞中转录成RNA,RNA是细胞内製造蛋白质的机器。学理上,科学家能藉此得到非天然的新型胺基酸,来合成新型蛋白质,未来希望能提供修饰蛋白以进行医疗治疗或诊断、甚至开发奈米材料。该研究成果也对宇宙中,生命可能以不同于地球遗传密码方式存在,提供一些支持证据。


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