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2019-12-13
这种DNA的4碱基模式被认为是生命的基本存在形式,正在设计一种有着6个基因编码的微生物

通过人造基因合成新型蛋白质,能否带来制药业的突破

姓名:傅高鸣 学号:16140288007

为了维持生命的延续生命也在不断自我演化。而演化的基础就是DNA了,DNA用4个碱基的排列组合完整地保存着遗传信息,并利用RNA至蛋白的方法进行解码,构筑起整个生命体的基础结构。这种DNA的4碱基模式被认为是生命的基本存在形式,但是DNA只有4种碱基才能存在吗?Science上的最新文章给出了答案:8种碱基的DNA也能存在。

众所周知,DNA的四个碱基编码是所有生命的通用代码,但这可能要成为过去式了。一家位于美国加州拉由拉市的新兴生物科技企业Synthorx,正在设计一种有着6个基因编码的微生物,其方法是将人造的X和Y碱基加入到原有的A,T,G,C构成的基因系统中去的。

转自:mp.weixin.qq.com/s/l3nOCCp2ZPUGVco45yfT9Q

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这些微生物在自然界中没有同类,Synthorx用它们来设计新型蛋白质,这些蛋白质有望成为未来的止痛药、抗生素和癌症靶向药的基石。

【嵌牛导读】:自然界只存在 4 种碱基——腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和鸟嘌呤。现在,研究人员打破了这些规则,在培养的细菌中增加了一对“超自然”的碱基对:X 和 Y。

哈佛大学带头的科学团队报道了一种全新的DNA,它不是由4种碱基构成,而是8种。当然这种全新的DNA不是自然界产生的,而是由科学家合成出来的,其被称作hachimoji DNA(在日语中hachi代表8,moji代表符号)。这种8碱基的DNA可以正常支持生命体的活动,就像4碱基DNA一样。其结构也能按照预期进行碱基配对,并转录成RNA并指导蛋白质合成。

Synthorx基于美国圣地亚哥TSRI的化学家Floyd Romesberg的研究工作成立,Romesberg也是公司创立者之一。Romesberg曾花费了超过15年的时间致力于研究如何使人工DNA和生命体的遗传机制协同工作,但这可不是简单地把新老编码相混合。

【嵌牛鼻子】:超自然碱基对

在生物学的研究中,最关键也离不开的就是遗传信息,无论是储存、传递还是演化,都影响着包括人类在内的所有生命体的生存。现代生物学已经发现遗传信息的载体就是DNA,双螺旋的结构上连接着同样大小的脱氧核糖核苷酸碱基,两条链相对应的碱基用氢键紧密结合。

2012年时,Romesberg的实验室成功创造了X和Y两种人造碱基编码。2014年,他证明了,细菌可以复制和遗传包含XY编码的基因给后代。

www.188jinbaobo.com ,【嵌牛提问】:超自然碱基对有哪些应用?

物理学家薛定谔认为,这种稳定的DNA结构得益于碱基大小刚好合适,可以让其构建成“非周期性晶体”。一般常见物质都是由周期性晶体构成,组合出来的是一个没有生命现象的物理世界,如同马赛克地板,虽然好看却没有生气;而非周期性晶体可以组成千姿百态的生命体世界,出现生命现象。

“人们总是觉得模仿生命体是一件十分复杂和困难的事”,Romesberg说道,“但其实生命体中的分子和自然界中的其他分子一样,它们并不享有特权。”

【嵌牛正文】:

这种DNA的4碱基模式被认为是生命的基本存在形式,正在设计一种有着6个基因编码的微生物。薛定谔认为非周期性晶体保证了DNA分子信息的储存能力和无误的信息破解能力,并且它保证了DNA序列上碱基出现变化时不会直接对整个DNA结构产生破坏性的影响。南加州大学的分子生物学家Myron F。 Goodman在上世纪末就已经证明,氢键并不是必需的。而碱基的大小统一非常重要。这让科学家开始创造碱基类似物,并将其混入到双螺旋、体外核酸链以及活细胞中。7年前,科学家就已经把基因编码碱基从4种提升至6种。

两年之前,还没有人用新合成的X和Y碱基做成任何有用的事情,但Romesberg却立下了利用传统的化学手段来创造新型药物的目标,这个过程显然极其复杂。

在过去的数十亿年中,自然界只存在 4 种碱基——腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和鸟嘌呤。现在,研究人员打破了这些规则,在 Floyd Romesberg 位于圣地亚哥的实验室,科学家通过扩展基因编码,在培养的细菌中增加了一对“超自然”的碱基对:X 和 Y。更令人惊奇的是,细菌可以利用这对超自然碱基对编码新蛋白!这一突破一举改变了大众对于生命遗传信息的认知,堪称“颠覆遗传密码”的成果。

第二代6碱基DNA

“我无法在实验室中完成这些,”Romesberg说道,“因此成立一个公司是实现这个目标的唯一方式。”

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我们的高中都学过,DNA就是4个碱基A、T、G、C组成的。在65年前,沃森和克里克发现DNA双螺旋后就随后证实,它们按照A-T,G-C的两种方式进行组合。2012年,美国斯克利普斯研究所的合成生物学家Floyd E。 Romesberg就创造出了第三对DNA碱基组合,它称其为5SICS-NaM。他检测了在这对新碱基加入后DNA的效率和保真性,发现能达到99.9%。

于是,Synthorx应运而生。

图丨Floyd Romesberg

这也打开了DNA碱基合成生物学的大门,时隔2年,Romesberg就将这个6碱基系统导入了大肠杆菌中。意外地是,细菌对这种外来的新碱基并不排斥,相反它们还将其当做DNA组件,完成了双螺旋构建。为了简化碱基的名称,Romesberg将其定义为X-Y碱基,其表示,尽管只多了两个碱基,细胞可以合成的氨基酸数目就将从20种变成172种。

X和Y的诞生固然是科学界的里程碑,但Synthorx的真正挑战在于用这些编码去产生新的蛋白质。理论上,通过简单地添加X和Y编码可以令用以构建蛋白质的氨基酸数量提升至172种,而自然状态下只有20种。

Floyd Romesberg 是全球著名生物医学研究机构斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute)其中一个实验室的主任,于 2014 年领导了首次对大肠杆菌的基因修改。目前,这些细菌已经可以通过它们的扩展基因编码来合成新的蛋白。

第三代8碱基DNA

通过在DNA中增加XY编码,细胞可以用多达172种氨基酸来构建蛋白质,这远超原先的20种。

原本,4 种碱基 A、T、C 和 G 只能自然编码遗传信息。它们配对形成了 DNA 的双螺旋结构,不同的碱基组合构成活细胞中构成蛋白质的 20 个氨基酸的密码子。而这项新的工作则首次表明非天然碱基可以用来在活细胞中制造蛋白质。

在当年Romesberg的6碱基系统释出时,Steven A。 Benner称赞其这是“巨大的成就”,“更新了自然的规则”。6个碱基的系统,在利用氢键进行双链连接后,DNA同样可以完整地进行复制,并且能够完成生物学的基础PCR实验。这激起了Benner极大地兴趣,他提出一个问题,DNA双螺旋的分子极限在哪里?变成8个碱基后是不是还能维持薛定谔的非周期性晶体结构?

“氨基酸太多反而是一种累赘,”Romesberg说道,“对于那些一辈子都在和药物打交道的化学家来说,控制氨基酸的数量是必须的。”

“我们想要证明这种做法的可行性,即在人工合成的碱基对中也能完成信息的储存和提取,”Romesberg 表示。“现在看来这不再是天方夜谭。”

5年后,Benner与多个单位合作给出了答案。他开发出了8碱基系统,他将新增的碱基命名为Z-P和S-B碱基,它们与天然的碱基一样可以进行一一对应,并利用氢键结合。来自印第安纳大学医学院的研究团队展示了8碱基DNA的晶体结构,“新的DNA晶体结构完整,保持了正确的碱基配对,同时没有丢失天然DNA的关键性特征。”Millie Georgiadis表示。

通过使用人造氨基酸,科学家可以使那些现有的蛋白质和其靶物质结合的更牢固,从而使药物效力更强。还有一种想法是通过人造氨基酸来增强蛋白质和靶物质的特异性结合以避免蛋白质和非靶物质结合引起的副作用。

Romesberg 说,这一成就表明,合成生物学——这个专注于以新特性灌输生物体的领域——可以通过重新创造生命中最基本的要素来实现其目标。他说:“没有比遗传信息的存储和提取更基础、更接近生命本质的其他生物系统了,我们所做的是设计一个与现有部件一起运行、并且可以实现所有的功能的新部件。”

目前,Synthorx正有一个项目致力于将一种蜘蛛的毒液转变为一种非阿片类、无成瘾性的止痛药。

MIT 林肯实验室生物工程师 Peter Carr 也表示,科学家们对重写生命的了解才刚刚起步,“我们目前还不清楚对生命系统进行改造的天花板在哪,但目前的研究显示肯定不止目前已知的四种碱基,这已经很让人兴奋了”,Peter Carr 表示。

开发用于治疗代谢紊乱的新型抗生素和药物同样被提上日程,“胰岛素是一种很好的靶物质,”Synthorx的CEO Court Turner说道,“虽然大肠杆菌也能生产胰岛素,但目前为止我们获取额外胰岛素的唯一方法就是每天注射。”

人类目前在火星和木星寻找生命的尝试都以失望告终。然而在圣地亚哥实验室里的“非地球生命体”已经告诉我们,生命并非只能依靠自然才能产生。“如果生命可以在除地球以外的地方出现并进化,这个过程可能早已经开始了,而且是通过完全不同的分子和方式在进行,”Romesberg 说。“我们已知的生命产生过程可能不是唯一的方式,而且也可能并非最优方式。”

将人造氨基酸添加到胰岛素分子中能够使其更为持久,这样的话,糖尿病患者只须隔几天注射一次胰岛素就可以了。

根据了解,有几支研究团队同时在尝试增加遗传密码。包括哈佛医学院遗传学家 George Church 在内的研究人员正在研究重复使用冗余密码子以指定新的氨基酸。而 Romesberg 的小组正在探索一个不同的策略:在 DNA 中增加一个全新的碱基对,这将大大增加可能的密码子的数量,理论上可以给予细胞利用超过 100 个额外氨基酸的能力。

毫无疑问如果这种技术可以实现,那这将是一场革命。但现在就开始做着人造基因广为应用的美梦还为时过早,虽然人造基因可以生成氨基酸,但目前我们还没有能力用人造氨基酸制造蛋白质。

其实,研究人员早在 20 世纪 60 年代初就曾设想过增加遗传密码。第一次大获成功是在 1989 年,由苏黎世联邦理工学院的化学家 Steven Benner 领导的团队伪造了含有胞嘧啶(C)和鸟嘌呤(G)修饰形式的 DNA 分子。正如 Benner 所称,这些“有趣”的 DNA 字母可以在试管反应中复制并制造 RNA 和蛋白质。

华盛顿大学的合成生物学家Marc Lajoie说道,“这真的只是一种假想,老实说,别说172种了,即使能利用1种人造氨基酸合成蛋白质都听起来有点疯狂。”

而 Romesberg 也在 15 年前就开始了对细菌 DNA 进行改造的相关研究工作。有了全新的碱基对 X 和 Y,需要做的第一步就是将其加入细菌的基因中,看看细菌能否用新的碱基对来储存遗传信息。简单的说,就是细菌是否会接受这些“超自然”DNA,并在自身分裂时也对这些 DNA 进行复制?

答案是肯定的,Romesberg 在 2014 年研究中就证明了这一点。但早期的基因改造细菌并不是很健康。它们要么排斥 DNA 中新加入的碱基,要么直接死去。Romesberg 甚至半开玩笑的说,这些细菌“缺乏生存下去的勇气”。

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图丨绿色荧光蛋白

Romesberg 教授于 11 月 29 日在《自然》上发表最新研究成果,他成功使用非天然核苷酸合成健康细胞。在多组实验中,细胞吸收两种非天然氨基酸 PrK 和 pAzF,合成的蛋白质发出绿色荧光。非天然碱基对和非天然氨基酸都成功被特定细胞吸收,任何实验室外的有机物都无法合成。为了使得细胞能有效利用这些新组分,他们开发了一种修饰版本的新型 tRNA,能有效读取密码子并在核糖体中合成对应的氨基酸。

这些人工合成的全新的氨基酸并未改变绿色荧光蛋白的形状和功能。“但现在我们能在细胞内存储和读取信息了”,Romesberg 说,“未来这一技术将大有可为”。在尚未发表的成果中,该团队将非天然碱基插入了能够提高细菌对抗生素耐药性的关键基因中,含有非天然碱基对的细菌对青霉素类药物更敏感。

那么,让有机体拥有更多的碱基意味着什么?拿英语来打比方,如果拥有更多的字母,就意味着可以组合成更多的词汇。同理,更多的碱基,也意味着可以让有机物合成更多以前在自然界不存在的蛋白。这将能解决医疗化学中很多棘手的问题,医疗化学归根结底是一门“塑造分子”的艺术,如果我们能自由设计改造分子,很多问题将迎刃而解。

为了达到上述目的,Romesberg 发起成立了一家名为 Synthorx 的初创公司,并已成功融资 1600 万美元,目的就是将研究成果转化为真正的药物。其中一个项目就是开发白细胞介素-2(interleukin-2)的新版本,这是一种抗癌药,但是副作用极大,新的半合成细菌或许能在某些关键时刻通过成分交换来摒除药物所造成的副作用。“我感觉自己就像一个糖果店里的孩子,”Romesberg 说,“我们花了二十年,在糖果店寻觅想要的东西。在那一瞬间,我突然找到了想要的糖果。”

与此同时,另一合成生物学团队由 Steven Benner 和新加坡生物工程和纳米科技研究院的生物化学家平尾一郎 (Ichiro Hirao) 领导,他们已经设计并合成出一系列使用非天然碱基对编码非天然氨基酸的新体系。平尾一郎看到了将这一技术运用于活细胞的巨大潜力。未来,科学家们能批量生产由非天然氨基酸和合成的蛋白质和更便宜的细菌细胞。如果能将其运用于真核细胞,能合成更多新型抗体药物。

然而,Benner 认为 Romesberg 所构建的体系,连接非天然碱基对主要依靠相对较弱的疏水作用,因此如果要将这些新型蛋白质进行批量生产,将会有所限制。单一细胞可能能和非天然碱基对产生作用,但无法为细胞订制一整套基因系统。

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图丨新的碱基或可用来掩饰生物武器

当然,对这种扩展基因编码技术也有人表示了担忧。麻省理工学院林肯实验室生物工程师认为,该技术所造成的影响远不止为制造全新功能的蛋白提供捷径。就像一把双刃剑,新的碱基既然可以用来储存信息,那么它们也可以被用于隐藏信息用于一些不可告人的目的。