首次构建出由8种核苷酸组成的DNA，从而让DNA编码能力增加一倍

yinfuhua

Science：重磅！首次构建出由8种核苷酸组成的DNA，从而让DNA编码能力增加一倍: u, V$ H9 _; \6 T( r
来源：本站原创 2019-02-23 15:15
  t' m. l7 ^) C8 D7 ?& Z2019年2月23日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究[1]中，美国研究人员通过将4种合成核苷酸与4种天然存在于核酸中的核苷酸相结合，构建出由8个核苷酸（也称为碱基）组成的DNA分子（他们称之为hachimoji分子），而且这些DNA分子的形状和行为都像是真实存在的东西，甚至能够被转录为RNA。他们说，这些hachimoji分子的信息存储容量是天然核酸的两倍，因而可能具有无数的生物技术应用。相关研究结果发表在2019年2月22日的Science期刊上，论文标题为“Hachimoji DNA and RNA: A genetic system with eight building blocks”。: F) A: Y. l1 Q8 h! v

! U( i+ r- n* R; O图片来自Journal of the American Chemical Society, doi:10.1021/jacs.5b03482。
, S4 F- g" G& W1 ?3 s% [6 J- e. X* V5 j. q4 P3 m. m3 p# J& F
美国西北大学的Michael Jewett（未参与这项研究）在发送给《科学家》杂志的一封电子邮件中写道，“这是一篇令人兴奋的论文. . .一项真正的工程壮举。它优雅地增加了DNA和RNA构成单元（building block，编者注：对天然的DNA而言，构成单元为碱基A、T、C和G；对天然的DNA而言，构成单元为碱基A、U、C和G）的数量，极大地扩展了核酸储存的信息密度。”9 q8 Y1 P7 P% }) Z3 x: O; {$ K

9 B: Y/ I& r/ O& P/ @+ A美国里士满大学的Michael Jewett（未参与这项研究）说道，“看到有人设计出这样的系统真地令人兴奋。在生命的起源上，它引发了一个问题：为什么这4种天然的 [核苷酸形成核酸]？为什么不是8种或其他数量的核苷酸形成核酸？”: m$ s4 E5 N/ y; j4 |/ L7 s# z

1 K9 }, r8 {2 H2 A无论是什么原因，在过去的40亿年左右的时间里，仅两个碱基对---一个碱基对在鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）之间形成，另一个碱基对在腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）或尿嘧啶（U）之间形成---一直是大自然创造地球上无穷无尽的生命所需要的一切。论文通讯作者、位于美国佛罗里达州的Firebird Biomolecular Sciences公司的项目负责人Steven Benner说，理论上可能会有更多的碱基对。
1 a& d, s$ u2 y
/ u6 f/ C4 L. O* T% s4 a3 j' \" H当嘌呤碱基（G或A）通过氢键与嘧啶碱基（C，T或U）连接在一起时，碱基对就形成了。但是，还存在其他的嘌呤碱基/嘧啶碱基类型的结构，它们也可能连接在一起产生与标准DNA相同的螺旋结构。# h% W1 e5 ]. M$ P5 {' V* T4 a

; t" ]/ ~. a& y, l& jBenner已计算出由8种新的嘌呤碱基/嘧啶碱基类型结构形成的总共4个额外的通过氢键连接在一起的碱基对是可能的[2]。他说，基本上，DNA并没有完全利用它的结构限制。“基于此，DNA分子是可扩展的. . . .你实际上可能添加更多的碱基。”7 x( g6 t) j5 {# C0 J) X. m0 h
2 S4 J& b2 X" j3 h6 w+ a4 m
Benner及其团队之前已将两个合成核苷酸---Z和P，它们之间形成一个碱基对---整合到DNA中[3][4]，并证它们可在体外复制和转录。如今，他的团队增加了另外两个合成核苷酸--- S和B，它们之间也形成一个碱基对。
- n4 e4 w  A1 ]; J5 O1 u6 L. T: Y: |" a
Benner团队将这两个化学合成的新型核苷酸整合到双链寡核苷酸（也含有G、A、T、C、Z和P）中，然后测试这些分子的解链温度，即让氢键受到破坏形成单链分子的温度。平均而言，他们观察到的解链温度与预测值相差不到2.1℃---这一误差范围与标准DNA寡核苷酸相类似。$ E* L1 Y9 ]9 ?
/ s) K/ o! b3 N6 ~7 }
美国斯克里普斯研究所的Floyd Romesberg（未参与这项研究）说道，“Benner团队如今展示的是你能够将整合到DNA中的核苷酸数量增加一倍，并且维持可预测的化学性质，我认为这是了不起的，这是一个里程碑式的成就。”  X  s( X3 g" a+ J* _

9 L: A: Z/ ~2 r) a$ v另外，三种不同的hajimoji DNA寡核苷酸的高分辨率晶体结构证实了结构上的相似性。从化学上讲，hachimoji DNA的形状和行为与标准DNA相类似。然而，读取和处理核酸的酶是很难欺骗的，因此为了将hachimoji DNA转录成RNA---这是一种对它的信息传递能力的测试，Benner团队尝试了许多噬菌体RNA聚合酶变体，直到他们发现一个能够完成这种任务的RNA聚合酶变体。
: h9 e5 M" q! B2 m, O- I' [% x
8 k6 v- D, j" z$ g2 O! l+ H( G通过使用这种RNA聚合酶变体，他们成功地转录了一种已知的称为spinach 的RNA适体的hachimoji版本，它能够结合一种特定的荧光团并经照射后发出荧光。果然，这种转录的hachimoji RNA像预期那样发出荧光。% B/ M: ~  c9 @- k7 i9 f( T

$ l0 E" C. L% f6 Q英国卡迪夫大学生物化学家Nigel Richards（未参与这项研究）说，产生功能性hachimoji RNA的能力“在RNA生物技术领域开辟了许多可能性”。他解释道，RNA可能具有催化功能，因此通过同时使用一系列新的核苷酸，“你具有更多的官能团，这些官能团能够与它们的目标分子发生不同类型的相互作用. . .因而增加你能够进行的催化反应的范围。”
0 j1 h2 t# u) V7 r
% [/ v5 t1 x& Q/ B$ c新加坡生物技术与纳米技术研究所的Ichiro Hirao（未参与这项研究）说，Hachimoji DNA甚至可能与其他类型的基于不同碱基配对化学性质的人工核苷酸[5]相结合，从而可能进一步增加功能。
! g7 c; m1 C: w2 I5 e3 ?4 ?/ Y
% t0 W: d1 R$ dRomesberg说，这确实存在着“无数的应用”。（生物谷 Bioon.com）& ?3 O9 K4 `3 a0 Y. Y

9 W9 `, i8 n6 [9 R$ a. Q' ?原始新闻：
6 u0 p" V, r5 D1 w) uDNA’s Coding Power Doubled! M( r& i" _5 ~
Research creates DNA-like molecule to aid search for alien life0 t( Q$ b0 Z, a) i2 `, T

3 G. ~. }! w/ y; @7 s, L参考资料：
2 g+ T7 F9 Z4 g; b* @1 C1. S. Hoshika et al. Hachimoji DNA and RNA: A genetic system with eight building blocks. Science, 22 Feb 2019, 363:884–87, doi:10.1126/science.aat0971.
% v" I' F- D) ], {3 J2 D8 f1 g3 l: ~/ Z: R9 K3 }
2. Steven A. Benner et al. Redesigning nucleic acids. Pure and Applied Chemistry, 1998 Feb, 70(2):263-266, doi:10.1351/pac199870020263." I( g# p: e4 T2 G+ ]; C

3 z; G/ _/ u6 G$ T' g  @. A. u3. Millie M. Georgiadis et al. Structural Basis for a Six Nucleotide Genetic Alphabet. Journal of the American Chemical Society, 2015, 137(21):6947-6955, doi:10.1021/jacs.5b03482.+ j# x/ r1 V$ M8 G1 F3 T3 N% L& Z

, i# z. ~- G( o5 q6 p! X# L4. Liqin Zhang et al. Evolution of Functional Six-Nucleotide DNA. Journal of the American Chemical Society, 2015, 137(21):6734–6737, doi:10.1021/jacs.5b02251.3 @/ J6 f, W( R& x5 m4 |
5 F& [5 E' {. K( M" A0 \; }
5. Y. Zhang et al. A semi-synthetic organism that stores and retrieves increased genetic information. Nature, 2017, doi:10.1038/nature24659.
3 l. m# K6 ?4 [6 ]; F5 e3 l& K" S8 S3 w/ w2 e+ g