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科學家創造出DNA第5個「字母」

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超過半世紀以來,生物課本一定會提到DNA由四個「字母」組成:A、T、C、G,不過現在科學家成功將新的「字母」新增到細菌中,而且和「天然」DNA一樣,在實驗室中具有轉錄、轉譯的生物功能。

加州斯克里普斯研究所(Scripps Research Institute)的生物學家羅莫斯伯格(Floyd Romesberg)努力15年,終於創造出帶有人造DNA「字母」的細菌,他說:「我們現在有一個帶有更多遺傳訊息的活生生細菌」。相關的研究成果發表在這一期的《自然》期刊。

DNA的四個「字母」其實是四種不同的含氮鹼基(base):A-腺嘌呤(Adenine)、T-胸腺嘧啶(Thymine、G-鳥糞嘌呤(Guanine、C-胞嘧啶(Cytosine)。而且A與T配對,C與G配對,互補的兩股DNA就這樣編成完美的雙螺旋結構(如下圖)。要是能找到互補的兩種分子,並且像這四種鹼基一樣接在磷酸骨架上,理論上就能用新的「字母」寫出新的遺傳密碼。

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這個簡單的想法在華生、克里克發表DNA雙螺旋結構不久後,就有科學家提出。不過一直到了1989年,蘇黎世聯邦理工學院(Swiss Federal Institute of Technology)的賓勒(Steven Benner)才和研究團隊將修改後的胞嘧啶(C, Cytosine)植入活體細菌中,讓細菌得以複製帶有「新.胞嘧啶」的DNA。

然而羅莫斯伯格這次的研究成果,又比先前賓勒的「新.胞嘧啶」更稱得上是一個「新字」。研究團隊列出60種有望成為「新字母」的分子,從3600種配對中發現 d5SICS 和 dNaM 最有希望成功(如下圖),特別是這兩種分子又和既有的DNA複製 / 轉錄機制相容,在試管中能轉譯成RNA,也能夠複製。未命名-1

研究團隊讓這兩種分子合成在細菌質體DNA中,再將質體植入大腸桿菌(E. coli)。這段帶有「新字母」的DNA成功在細菌中複製還有轉錄,而且當細菌分裂時,還會帶著這段獨特的質體一起分裂。未來有可能找到更多能夠充當遺傳密碼「新字母」的分子,甚至整段DNA都不包含自然存在的A、T、C、G。

這項技術對遺傳工程來說,具有提高安全性的應用潛力。舉例來說,如果用來製藥的細菌使用人工「新字母」,那麼當細菌逃逸出實驗室,也會因為在自然界中得不到人造的「字母」,缺乏原料而無法複製繁殖。

羅莫斯伯格的研究團隊正在嘗試「寫出」更多胺基酸「單字」。目前已知的生物都是三個字母為一組「密碼子」(codons),轉錄/轉譯出胺基酸,有了新的「字母」,就有機會設計出能夠轉錄/轉譯更多胺基酸的生物。潛在的應用像是設計出精準毒殺癌細胞的胺基酸來治療癌症,或者具有螢光反應的胺基酸讓科學可以追蹤細胞。

 

參考資料:First life with ‘alien’ DNA. Nature News [07 May 2014]

研究文獻:Malyshev, D. A. et al. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature13314 (2014).

關於作者

陸子鈞

Z編|台灣大學昆蟲所畢業,興趣廣泛,自認和貓一樣兼具宅氣和無窮的好奇心。喜歡在早上喝咖啡配RSS,克制不了跟別人分享生物故事的衝動,就連吃飯也會忍不住將桌上的食物作生物分類。