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細菌可以用人工鹼基合成蛋白質了!當合成生物學遇上中心法則

生物界中最為人所熟知的機制就是鼎鼎大名的「中心法則(central dogma)」,絕大部分的生物都是以去氧核醣核酸(deoxyribonucleic acid, 簡稱 DNA)作為遺傳物質,然後透過基因轉錄(transcription)製造核醣核酸(Ribonucleic acid, 簡稱 RNA),最後轉譯(translation)出胜肽(peptide)並構成有功能的蛋白質。

中心法則。圖片來源:genius.com

DNA 由四種含氮鹼基 adenine (A)、thymine (T)、guanine (G)、 cytosine (C) 組成,其中A、T及G、C作為配對 ; 而轉譯過程中傳訊核糖核酸(messenger RNA,簡稱 mRNA)分別以 uracil (U) 、A、C、G 與DNA相對應的順序製造。最後帶著氨基酸的轉運核糖核酸(transfer RNA,簡稱 tRNA)會使用反密碼子(anticodon)來辨認 mRNA 的密碼並將氨基酸串連起來形成胜肽(peptide、polypeptide)。

source:Wikimedia

舉例而言,DNA序列5’-CGG-3’被轉錄成mRNA是3’-GCC-5’,接著帶有丙氨酸(alanine)的tRNA會使用反密碼子5’-CGG-3’和mRNA進行配對,進而將analine加到胜肽鏈中。而目前細胞以三個核醣核酸排列組合能配對出20種不同的氨基酸,這些過程就像照著九九乘法表一樣,同樣的訊息進去就會產生相同的結果。

基因經過轉錄及轉譯的過程就像九九乘法表一樣有固定答案。圖片來源: geneticshbdanieldelprete

當合成生物學遇上中心法則後的新滋味

合成生物學(synthetic biology)致力於將人的巧思放入生物各層次的調控中,以創造新的生命形態和功能。而改造做為遺傳物質的DNA是合成生物學最熱門的題材之一。其中一個驚人的想法便是將人工合成的鹼基對加入DNA序列之中,使生物的調控變得更多元化。

美國斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute)的教授 Floyd Romesberg 在2011年成功在試管內將人工合成的兩個新鹼基 X、Y(分別為dNaM和d5SICS,彼此可互相配對)嵌入DNA的序列內。原本四個不同鹼基ATGC的DNA排列組合變成六個ATGCXY的複雜排列。但可惜當時的研究只發生在試管(in vitro)之中,尚不能被生物體所使用。

人工合成新鹼基對(d5SICS、dNaM)結構類似生物體原有的四個鹼基(A、T、G、C)並且可以在試管內嵌入遺傳物質序列中。圖片來源:PNAS

但是要怎麼讓細胞利用人工合成的鹼基對組成遺傳序列呢?

要讓生物使用人工合成的鹼基對有幾個難題,其中第一個難關是生物本身並不會生成這些鹼基,所以這些人造鹼基並不存在於細胞當中。所以,科學家不但得要替這些細菌先合成這些鹼基,還要再想辦法讓細菌能夠把這些鹼基「吃到」細胞體內。在2014年,Romesberg 的團隊在三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)中找到了一個輸送蛋白(transporter),能夠把鹼基運從細胞外送到細胞內。

所以他們將這個輸送蛋白基因以及含有X、Y鹼基對的DNA質體(plasmid)送到了他們的模式生物–大腸桿菌(Escherichia coli)當中。實驗結果顯示大腸桿菌不但可以將在細胞外的X、Y鹼基運送到細胞內,更能使用帶有X、Y鹼基對的質體當作模板複製出新的DNA質體。另外這些帶有人工合成鹼基的細菌沒有出現生長緩慢或遺傳物質剔除外來鹼基的現象。這是第一次科學家成功讓人工合成鹼基X和Y在細菌遺傳物質中複製並且傳遞到子代當中!

如何讓合成的鹼基嵌入的基因被表現及製造呢?

為了使人工鹼基的應用變得更加廣泛,Romesberg 的團隊左思右想,想要找到方法讓細菌轉錄及轉譯帶有人工鹼基的基因。而關鍵則在於中心法則裡「轉譯」這個步驟,雖然細菌能夠製造出帶有新鹼基的DNA序列或mRNA,但是沒有tRNA具有能夠辨識這些新鹼基的反密碼子,因此無法製造出胜肽鏈。

tRNA的反密碼子若與mRNA的密碼子配對成功,則氨基酸便會接上胜肽鏈,最後形成有功能的蛋白。圖片來源:the-scientist

為了證明人工鹼基真的能被轉譯成蛋白質,研究人員先合成及在細菌內表現新的一組鹼基對,代稱仍為X、Y(但分別代表dNaM及dTPT3)。接著使細菌表現一個特殊的綠色螢光蛋白GFP(sfGFP),它的特性是在位點151的地方可以放置任何的氨基酸且不會對螢光造成影響。

為了使細菌利用人工合成的新鹼基對進行轉錄及轉譯,科學家設計新的一組鹼基對及帶有此鹼基對的螢光蛋白基因及轉運核醣核酸。圖片來源:nature

因此科學家在基因位點151處插入新鹼基,其序列為AXC;並且也設計了帶有GYT反密碼子的 tRNA 並在表現在細菌中。透過螢光顯微鏡的觀察,在有人工合成的 tRNA 的情況下,細菌能產生出帶有人工氨基酸的綠色螢光蛋白,並能成功地發出螢光。此研究證明了這些人工鹼基不但能被轉錄成mRNA,還能夠被人工tRNA轉錄成蛋白質。這振奮人心的成果則發表在了上星期的《自然》期刊上。

所以人工鹼基真的很有用嗎?

傳統上四個DNA鹼基的能夠被解讀為20種不同氨基酸的密碼,但是在加入了X和Y鹼基之後,現在氨基酸密碼可以額外增加至多152種不同的氨基酸。新增的152種反密碼子可以與人工合成的氨基酸結合,人們便可以創造新的蛋白質,未來可以應用於開發新藥和新素材。

未來讓細菌自行製造自然界不存在的蛋白質也許就像吃東西一樣簡單。圖片來源:kurzweilai

人工鹼基聽起來很厲害,但是這樣會不會不小心製造出了科學怪人呢?!

根據史丹佛大學的研究員Kool的講法,他認為人工鹼基會對生命或是生態造成的風險很低,因為這些生物本身並不能在實驗室以外生存。他也說道,實際上這些細菌無法自己製造X和Y鹼基,只能利用科學家另外合成的XY鹼基。因此和現存的基因工程技術相比,這反而是個相對不危險的方法。

合成生物學結合了物理、化學及生物等領域的知識提供了更多元的想法,科學家因而能利用各種生物機制創造出新的功能或生命。只要基礎科學一直有新發現,合成生物學的應用就會無邊無際。讓我們一起期待這些人工鹼基還能玩出什麼新花樣吧!

參考資料:

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關於作者

李紀潔、羅鴻

來自陽明大學基科所的畢業生,喜歡神經科學、遺傳和演化的企鵝狂熱二人組。本來對科普寫作毫無興趣,在大學老師強烈遊說之下仍然無動於衷,畢業後卻意外開始在泛科學寫科普文章。興趣分別是畫畫和魔術方塊。目前兩人都在德國攻讀神經科學博士,分別專攻老化和神經再生、電生理和動物行為。