DNA堿基欲添“新成員”？

張長青/編譯

史蒂文·本納

●盡管DNA已經存在了數十億年，但科學家相信有能力將其改造的更好。當來自佛羅里達蓋恩斯維爾應用分子進化基金會生物化學家史蒂文·本納（Steven Benner）開始重新設計遺傳分子時，他卻沒有多想在DNA上著手。班納指出，從一開始就他就意識到，這項設計其實并不怎么高明……要是想揭示出謎底，只有繼續動手再實驗。

重新設計DNA的用武之地

DNA主鏈是由含重復的、帶負電荷的磷酸基團構成的。因負電荷具有排斥性，受此特性影響，導致在雙體螺旋結構下的雙鏈DNA很難粘結在一起。在自然界中，只有兩組堿基配對類型：腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和鳥嘌呤(G)。這兩組配對類型主要靠氫鍵進行互相配對，但這些氫鍵間的結合作用很弱，極易被水分子破壞，而細胞卻是由水注滿的。本納入指出，你信賴的價值遺傳基因會被送至水中的氫鍵上，如果你是從事此項設計的化學家，相信你決不會這樣做的。

盡管生命有多種正當理由能塑造這種結構，卻也阻止不了如本納等科學家試圖改變其自然屬性的決心。在過去幾十年中，科學家們已經對DNA的基本成分進行過修飾，并開發出A、T、C和G以外的堿基字母，并讓它們以類似的方式進行配對和復制。據本納介紹，目前仍有不少糾結的問題亟待解決。迄今為止，只有少數非自然堿基對能連續插入DNA，細胞仍不能完全利用外源生化合成的堿基。

重新設計DNA及其遠親RNA已經有了用武之地。人造堿基對已經能夠用于檢測病毒，并在醫學領域可以找到其他用途。但科學家們依舊對其全部充滿好奇之心，他們希望最終開發出的有機體能讓擴大的非自然遺傳字母存儲更多的信息，或誕生出根本不含自然遺傳字母的基因組。在創造這些生命形式的過程中，研究人員可以學到更多有關遺傳分子結構基礎性制約因素的知識，以此判斷自然堿基對生命有無必要，或只是簡單地起著多種方案中的一種方式而已。“盡管生物在地球上有其特定的存在方式，但一般而言，還會有其他實現這些目標的方式”，加州拉荷亞斯克利普斯研究所的核酸生物學家杰拉爾德·喬伊斯（Gerald Joyce）如是說。

早在上世紀70年代讀研究生的本納，就開始對改變自然結構感興趣了。化學家們合成了各類化學物質，從多肽到毒藥，有人甚至想嘗試讓構建分子跟自然酶一樣，具有其相同的功能，或具有不同化學結構的抗體，但他們卻在很大程度上忽略了DNA的作用。從設計角度看，化學家們當時將注意力全部放在了其他所有類別的分子上，而忽略了生物學的中心——DNA。

1986年，本納在蘇黎世瑞士聯邦理工學院建立了實驗室，嘗試重建DNA主鏈。在實驗中，他很快意識到有時看似是瑕疵，卻可能是一種特性的表達。當他及團隊成員利用中性化學 （群）基團替代主鏈負電磷酸鹽時，他們發現，任何長于約12個單位的鏈都會自行折疊。這是否是其需排斥電荷而保持分子延展的緣故？

為了證明堿基更能經得起修飾，本納開始創建類似于自然界的堿基對，但利用的是重新排列的氫鍵單元。他的團隊測試了兩種新堿基對：iso-C和iso-G及K和黃嘌呤核苷。實驗顯示，用于復制DNA或轉錄RNA的聚合酶竟然能夠讀取含非自然堿基對的DNA，且能將互補的配體插入DNA或RNA發育鏈中。核糖體，一種能將RNA轉錄成蛋白質的細胞機器，也能讀取含iso-C的RNA片段，并利用此片段，再添加非自然氨基酸后送入發育蛋白中。

本納指出，位于遺傳中心的堿基對為分子的可延展性給我們預留了極大空間。研究人員遇到的問題，是因為氫原子趨于游離狀，iso-G經常會演變成另一種形式與T結對，而非iso-C。

多個研究團隊競相揭示謎底

加州斯坦褔大學化學家埃里克·庫爾（Eric Kool），他所領導的團隊在利用固定式氫鍵排列開發非自然堿基對過程中，創建了一種類似于自然堿基T的堿基對，除了存有的其他差異外，只是用氟替代了氧原子。被稱之為二氫甲苯（簡稱F）的新堿基結構，幾乎與T堿基形狀完全一樣，只是阻止了氫原子的游離性。

但該團隊不久便發現，處于氫鍵位置上的F是非常令人擔心的，聚合酶仍將其看成是堿基T：在DNA復制過程中，他們在F的對面插入了A，反之亦然。實驗顯示，只要堿基形狀正確，聚合酶就能準確地跟蹤到它（按照庫爾的說法，如果鍵位合適就會奏效）。

然而，其他科學家們則對此持懷疑態度。他們對氫鍵念念不忘，以至于很難設想將它替換掉。他們質問庫爾：為什么DNA復制不需要氫鍵，那可是螺旋的中心。不用氫鍵，就得考慮通常與親水性相關的親水分子等屬性物質。而庫爾團隊開發的F和其他形狀的仿制堿基都是疏水型的——能夠讓堿基在雙螺旋結構中保持穩定。

在庫爾的基礎上，斯克里普斯研究所的弗洛伊德·羅姆斯伯格（Floyd Romesberg）擴展了疏水堿基的全部技能。從苯和萘分子開始，他的團隊創建了各種衍生品。在完全看不出有類似自然堿基配對的跡象中，包括在復制階段的實驗過程中，研究人員發現了兩種矛盾需求。在堿基關鍵位置上的酶必須具備疏水性才能將堿基插入DNA，如果酶繼續參與鏈的復制，則還得接受氫鍵的存在。

羅姆斯伯格團隊對60個最精確有效復制的配對堿基進行過3 600次的篩選，其中MMO2和SICS過關。據羅姆斯伯格介紹，在關鍵位置上，MMO2和SICS游走在疏水與親水之中。但挑戰依然存在，研究人員發現，當DNA進行到上億次復制后，就會保持非自然狀堿基配對。如果酶的非自然與自然配對太過頻繁，新堿基字母最終將會消失。

來自日本橫濱理化研究所系統與結構生物中心的化學家平尾一郎，受《雙螺旋結構啟蒙》一書的影響，對創建非自然堿基產生了濃厚興趣并為此展開了形狀設計。事后他們發現降低了堿基錯配率。2011年，平尾團隊報告稱，含非自然疏水堿基對的DNA （被稱之為Ds和Diol 1-Px）能獲得99.7%至99.92%的高保真復制。同年，本納團隊發現了另一種非自然堿基對P和Z，通過氫鍵連接，他們實現了99.8%的復制。7月，羅姆斯伯格團隊報告稱，優化后的堿基對，NaM和5SICS的復制率達到了99.66-99.99%，與自然DNA松散率重疊。

2012年早些時候，英國劍橋分子生物醫學研究會實驗室的生化學家菲利普·霍利格爾（Philipp Holliger）及其同事展示了他們的研究方法，稱使用XNA核酸，DNA或RNA中通常所含糖已經被其他環結構所替代。該團隊生成了數十億的自然聚合酶突變體，然后向這些突變體施加選擇性壓力促其進化（使DNA轉變成XNA），從中比較最具效力的突變體，以此找出最佳者。

霍利格爾指出，聚合酶的形狀就像是一只手，展開后的大拇指則為需要發生改變的關鍵區域。該區域在酶退出后與DNA接觸，并有可能起到最終檢查點的作用，以確信合成正確。霍利格爾團隊還設計了一種能將XNA轉回DNA的酶。

很難被撬開的“聚合酶堅果”

到目前為止，盡管在體外做了大量的修飾，但研究人員還是希望能找到可以讀取和處理信息的有機體。據特拉華州紐瓦克市微生物射流技術公司的菲利普·馬爾利耶（Philippe Marlière）2011 年報告，工程菌是現今已知最新的將非自然堿基融入生命系統的科研成果。他和團隊成員用氯尿嘧啶取代T堿基對——一種RNA堿基尿嘧啶，其中的氫鍵被氯替代——他們開發了一種自動系統，能將堿基逐漸引入到應變的大腸桿菌中，使其自身不能制造胸腺嘧啶。約5個月后，有些細菌在沒有氯尿嘧啶的狀態下難以存活，約90%的胸腺嘧啶因此從基因組中被“抺掉了”。

本納、羅姆斯伯格和平尾都從事過誘導細胞接受其堿基對的實驗工作，即使細胞接受了堿基對，但它們在執行信息處理時（如重組等）也會出現麻煩。本納以前的研究生、來自得克薩斯大學的生化學家安德魯·艾靈頓（Andrew Ellington）稱：“這件事并沒有這么簡單，我認為要花大力氣才能有建樹。”

研究究竟會進展到什么程度，目前尚不得而知。羅姆斯伯格稱，僅僅靠疏水堿基開發有機體基本上不可行，因為細胞內含有太多的元素，且這些元素已經適應了與自然堿基的合作。至于將非自然主鏈與非自然堿基整合為一個有機體想法，據本納的說法，現在尚未從理論上獲得足夠的支持。

研究人員堅信，即使非自然堿基對在細胞中不起作用，他們仍然可以投入實際使用。位于紐約州塔里敦的西門子醫療診斷公司和得克薩斯州奧斯汀的路明克斯公司，已經開始使用iso-C和iso-G堿基對用于改善對病毒感染的檢測和監測。例如，使用一系列能與患者血樣中HIV-1 RNA結合的相關DNA序列，或在某些序列中插入非自然堿基能阻止該序列與血樣中的隨機DNA序列結合，HIV-1 RNA在較低水平能更容易被檢測到。

DNA和RNA分子還可以發生催化反應，并能作為藥物來使用：開發者可以向堿基對附著化學基團以此提高序列性能，非自然堿基將會使其更容易命中序列中的特定位點，而不用浸透每個C或G。例如，羅姆斯伯格團隊已經在DNA中的非自然堿基對添加了連接基團，允許與各種分子進行精確連接。目前該團隊正試圖設計序列，以獲得比自然同類物更有效的催化反應。

拋開實際應用不說，研究人員仍將受到庫爾稱之為“科幻吸引”的影響，即要對生物系統進行重新設計，甚至要對其進行所謂的完善。地球早期生命的形成可能是由遺傳字母決定的，這是因為它們受到了適合的化學物質的“強迫”而繁衍開來。舉例來說，腺嘌呤很容易從氫化氰中獲得，可能在生命的初期就已經存在了，一旦有機體具備了一套可供工作的堿基，或許它們就被鎖進了這個系統。本納強調，一般人們都認為RNA優于DNA，其實這并不是支持生命存在最有力的證據，最好的證據可能存在于生命誕生之前的地球上。

如果核酸在另一個星球上單獨出現的話，它們會有相同的堿基對嗎？本納認為不可能。除非有機體受到了相同的限制。但可能適用于某些通用規則，例如，帶重復電荷的主鏈最初看似有這些傾向，但實際卻在阻止折疊。這是為了在信息傳遞過程中（如在復制時），確保帶有不同堿基序列鏈的行為能保持一致。盡管有些研究人員在替代主鏈上獲得過成功，但許多嘗試的結果是，在生成一個螺旋時，其分子不是太過僵硬，就是太過松散。霍利格爾認為，化學變化存有一個限度的問題，而引導適度才是致勝的關鍵。

不能因為受到限度的影響就裹足不前。為什么是生物化學主宰了生命的形式，它是唯一可能的答案嗎？相信不是的。要想揭示出謎底，只有繼續動手再實驗。