美國科學家成功合成含人工DNA細胞體

日期：2014-05-15 09:25:02

據報道，數十億年來，地球上所有的生命都是以簡單的A，T，C和G來書寫的。它們構成DNA的結構，存在于所有的生命體內。而現在，這份字母清單可能要延長一些了。研究人員表示他們創建了一個具有生命的人工細胞，其中含有兩類“外來”的DNA構件。

很多科學家將這項成果視作重大突破，是通向合成特殊細胞的重要一步——這樣的細胞將可以產生藥物或是其他有用的分子物質。甚至它還開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有的4個DNA組件便能人工構建一個細胞體。

弗洛伊德·羅姆斯貝格(Floyd Romesberg)來自美國加州拉約拉的斯克里普斯研究所，也是這項持續了15年研究工作的領導人。他表示：“我們現在所得到的是一個活的細胞，其中儲存著遺傳信息。”他們的研究論文發表在了今天出版的《自然》雜志上。

DNA是雙螺旋結構。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結構，如化學堿基對形成的。一共存在4種不同的堿基：腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(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總是與對面鏈條上的T相連接，而C則與G對應。

試管中的字母

科學家們從上世紀1960年代開始便開始思考這樣的問題：使用其他的化學組合方式，是否同樣可以實現對信息的存儲？但一直到1989年才由瑞士聯邦理工大學的史蒂芬·貝納(Steven Benner)和他的研究團隊首次成功地將經過改造的胞嘧啶(C)以及胸腺嘧啶(T)植入DNA之中。在試管中進行的反應測試中，帶有這些被貝納教授稱之為“有趣字母”的DNA鏈條成功地進行了自我復制并產生RNA和蛋白質。

而根據貝納的說法，此次羅姆斯貝格研究組得到的堿基則改動更大，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年發表的文章以及在后續進行的實驗中，該研究組報告了在60種候選堿基中進行配對努力，并嘗試了超過3600種組合方式。在這一過程中他們識別出一個堿基對，分別被稱作“d5SICS”以及“dNaM”，這一堿基對看上去比較有希望能夠成功。其中關鍵的一點是這些分子本身必須與催化酶機制相匹配，后者的任務是幫助進行DNA復制和解譯。

丹尼斯·馬萊謝夫(Denis Malyshev)是一位此前畢業于羅姆斯貝格實驗室的學生，也是這篇最新研究論文的第一作者。他表示：“我們那時甚至根本就沒有想過我們竟然最終會創造一個植入這種堿基對的細胞體。”通過試管實驗，研究組成功地讓他們研制的經改造的堿基對實現復制并產生RNA。這需要使他們制作的堿基能夠被酶所識別，而這些酶此前只能識別A，T，C和G。

制造一種人造生命體面臨的第一項挑戰便是讓細胞接受外來的堿基，使它們可以在多次的細胞分裂過程中維持DNA分子，在這一過程中DNA會被復制。研究組對大腸桿菌進行改造，使其能夠表達一個來自硅藻的基因，后者是一種單細胞的藻類。這種表達過程的結果是得到一種蛋白質，其可以允許分子透過大腸桿菌的外膜。

研究組制作了一小段的DNA，稱作質粒，其中包含一對外來的堿基對，并將其注入大腸桿菌。隨著硅藻的蛋白質為外來的核苷酸供應養分，這一質粒成功實現了自我復制，并在接下來近一周的時間里在大腸桿菌不斷的分裂中將自身復制到了新分裂產生的個體之中。而當來自蛋白質的養分供應最終耗盡時，大腸桿菌便重新用天然的組分替換掉了此前注入的外來成分。

外來控制

馬萊謝夫將控制外來DNA被吸收的能力作為一旦這些人造細胞泄漏到實驗室外之時的一種安全手段。但其他研究人員，包括貝納，都在致力于對細胞進行改造，使其能夠直接產生某些外來的堿基，從而直接免掉培養的過程。

羅姆斯貝格的研究組目前正嘗試讓外來的DNA能夠去編碼蛋白質，而不是去解碼那20種共同構成自然界所有蛋白質的氨基酸。氨基酸是由三個DNA堿基構成的密碼子實現編碼，因此額外添加的兩個外來DNA“字母”將會極大地提升細胞對新的氨基酸進行編碼的能力。羅姆斯貝格表示：“如果一本書只能用4個字母來寫，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。”

這項技術具有哪些潛在的應用前景呢？首先，我們可以將有毒的氨基酸植入蛋白質，從而確保它只會攻擊兵殺死癌細胞。另外，這項技術還可以被應用于熒光氨基酸，從而幫助科學家們在顯微鏡下追蹤生物反應的進行。羅姆斯貝格的研究組目前已經找到一家位于加州圣迭戈的名為“Synthorx ”的公司，試圖實現這項工作的商業化。

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

貝納表示：“在學界很多人認為羅姆斯貝格的結果是不可能實現的。”之所以如此，是因為涉及DNA，如復制過程的化學反應都必須極度注意避免突變的發生。

改造過的大腸桿菌中含有數百萬的DNA堿基對，其中只有一對是外來的。但貝納認為沒有理由認為未來制造出完全由外來基因構建的細胞是不可能的。他表示：“我不認為這里存在界限。如果你回到過去，重復40億年的演化歷史，你會得到一個完全不同的遺傳體系。”

但要想制造一個完全的合成生命體將是一個巨大的挑戰。羅姆斯貝格表示：“很多時候人們會說你將會制造出一個完全由非自然的DNA合成的生命體。”他說：“但那并不會發生，因為存在太多能重新組織DNA的因素了，它融合在細胞生命的方方面面之中。”