胡英考

(首都師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100048)

生物的遺傳信息都貯存在各自的基因組中，而組成基因組的堿基只有4種： ATGC(RNA中U替代了T)，即4種堿基的不同排列組合形成了不同的基因和基因組。遺傳密碼共有64個密碼子，其中還包括終止密碼子和簡并密碼子，所以，實(shí)際編碼20種氨基酸的密碼子不到64種。在漫長的生物進(jìn)化過程中，這4種堿基的排列組合有變化，但沒有更多堿基的參與，自然界的生物均是如此，概莫能外。

僅憑4種堿基、64個密碼子、20種氨基酸就能形成地球上那么多形形色色的生命，如果再增加一個堿基對，則可以有6×6×6=216個密碼子，扣除原有的64個密碼子，理論上還有152種可以編碼氨基酸的新的密碼子，編碼的氨基酸總數(shù)可以達(dá)到172種，這樣形成的生命形式會有無限種可能。

早在20世紀(jì)70年代，一些學(xué)者就嘗試著挑戰(zhàn)自然，擴(kuò)展遺傳密碼，但一直沒有成功。直到1990年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的化學(xué)家Steven Benner領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，才初步證明這一想法是可行的。他們將胞嘧啶和鳥嘌呤堿基進(jìn)行人工改造，首次合成出包含人工改造后的非天然堿基的DNA分子，同時這些新的DNA分子還能在試管中自我復(fù)制，并制造RNA和蛋白質(zhì)[1]。不過，當(dāng)時人工制造的這些DNA分子僅在試管中有活性，在活細(xì)胞內(nèi)就失活了。

要想在活細(xì)胞中發(fā)揮作用，外源堿基對要與自然堿基對一樣能夠進(jìn)行配對，這樣就不會破壞DNA的形態(tài)和基本的功能，使DNA可以被忠實(shí)地復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。2014年，來自美國加州的Floyd Romesberg實(shí)驗(yàn)室報告了一項(xiàng)突破性的進(jìn)展，他們成功地將人工合成的人造堿基對植入了大腸桿菌的基因組，且能夠在大腸桿菌中自我復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。但最初這些人工合成的堿基會嚴(yán)重阻礙大腸桿菌的生長，而且隨著時間的推移，這些外源的堿基會丟失；另外，這種新的堿基尚不能指導(dǎo)蛋白的合成[2]。此后，Romesberg實(shí)驗(yàn)室對這一對堿基進(jìn)行了系統(tǒng)的修飾，并成功地合成出了不會被大腸桿菌排斥的人造堿基，能夠長期穩(wěn)定存在于大腸桿菌體內(nèi)。但它們?nèi)耘f不能指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，因?yàn)榧?xì)胞中沒有能夠識別新堿基的tRNA，也沒有能與人造堿基相對應(yīng)的氨基酸的參與。

為解決不能合成蛋白質(zhì)的問題，Romesberg實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了一種改良過的、能識別人造堿基的tRNA以及相應(yīng)的氨基酸，該tRNA能夠?qū)⑷斯ず铣傻陌被徇\(yùn)輸?shù)胶颂求w中，這些氨基酸被整合進(jìn)了大腸桿菌所表達(dá)的蛋白質(zhì)中。同時，研究人員還運(yùn)用多種檢測技術(shù)證明了，這種蛋白質(zhì)中的確存在人工合成的氨基酸。最近，該研究團(tuán)隊(duì)首次用實(shí)驗(yàn)室合成的、自然界中不存在的X-Y堿基對和相應(yīng)的氨基酸，成功地在實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了包含ATGCXY 6種堿基的全新生命體[3]。目前已成功地將人工合成的堿基對插入到對抗生素耐藥細(xì)菌基因的關(guān)鍵位點(diǎn)上，使表達(dá)這種堿基的細(xì)菌對于青霉素類抗生素異常敏感。

該研究表明，人工合成的堿基對也能完成信息的儲存和提取，意味著人類成功地擴(kuò)展了遺傳密碼。在可預(yù)見的未來，將會有更多的人工堿基對添加到遺傳密碼表中；一些非天然的氨基酸將通過人造密碼加入到蛋白質(zhì)中，用來設(shè)計(jì)更容易被細(xì)胞吸收的，或者毒性更低、分解更快的藥物，應(yīng)用前景十分廣闊。