「八文字」DNA誕生:八種字母的人造遺傳物質能被生物體利用嗎?

  • 作者/陳磬揚│泛科學新手實習生,化學系畢業但不想待實驗室或科技廠,看到什麼知識都想一頭栽進去。希望能從跳出來的視角看科學,翻譯引介更多科學界的趣聞給讀者。

DNA 是生物遺傳資訊的載體,但這樣的載體有沒有可能人工加上新的「字母」呢?

今年 2 月「八文字DNA」(Hachimoji DNA)的文章在《Science》上發表。1八文字DNA相較於自然存在的DNA是由我們熟知的A、T、C、G四種鹼基組成,多出了額外四種人工合成的鹼基 Z、P、S、B。

DNA 的天然結構裡如何「混進」人工的鹼基?甚至於有機會順利被生物體的酵素辨識?又,為什麼要做出這樣結構?要回答這一切的疑問,需要先從 DNA 到底為什麼能成為遺傳資訊的載體開始。

八文字DNA相較於自然存在的DNA是由我們熟知的A、T、C、G四種鹼基組成,多出了額外四種人工合成的鹼基 Z、P、S、B。圖/pixabay

非週期性晶體:既穩定又有資訊的化學晶體

1944 年薛丁格(對就是那位跟貓過不去的量子物理學家),在一本題為《什麼是生命?》(What is Life?)的書中,由物理學的觀點,猜測當時仍然沒有人知道真面目的「基因」會是怎樣的化學物質。他提出了「非週期性晶體」(aperiodic crystal)的假說:「要儲存大量的資訊,簡單的鍵結不夠穩定,不足以提供複製上的保真度(fidelity),因此必須要由具有狹窄熔點範圍的晶體來儲存」。但完全週期性的結構,例如我們所熟悉的鹽類、石英等,並不能承載資訊(因為每個單元都是重複的)。因此,這種構想中的「基因分子」必須要能在規律的晶體結構裡塞進不同的小單元。

這個假說啟發了後續的研究,也就是 1953 年華生和克立克所提出的雙股螺旋DNA。雙股DNA 的骨架確實是週期性的結構,不會因為組成鹼基的不同而有所差異,而兩組鹼基對也確實可以任意排列記載資訊,符合薛丁格的假說。

遺傳物質去氧核糖核酸(DNA)的組合:腺嘌呤與胸腺嘧啶 AT 配對,鳥糞嘌呤與胞嘧啶CG配對。圖/wiki commons

從後見之明來看,四種鹼基的配對並不是上帝神來一筆、萬中選一的創造,而就只是兩個非常簡單的規則:

大的嘌呤 (Purine) 配小的嘧啶 (Pyrimidine),以及氫鍵提供者和接受者位置的配合。

而既然這是一個物理-化學的限制,科學家當然會想要突破界線,想辦法製造出一個人工的「遺傳物質」。這樣的物質還需要能夠進行「達爾文式演化──這樣的分子必須要能夠複製資訊,並且能容忍、傳遞複製中發生的錯誤。最後在天然的遺傳物質外加的鹼基配對系統,就被稱為「人工擴展的遺傳訊息系統」(Artificially expanded genetic information system, AEGIS)。

Z、S和C、T 一樣是具有兩個環的嘌呤,P、B 和 G、A 是只有一個六員環的嘧啶。氫鍵的電子提供者(紅色,電負度較大的氮、氧)和接收電子的氫原子位置(藍色)相對應。

八碼 DNA 是否和一般的 DNA 有相同的結構?

DNA擴展的相關研究已經發展許久,在本篇研究發表之前,其他研究者已經發現六碼 DNA可以有和一般的 DNA 完全相同的表現:可以複製、轉錄成RNA和轉譯出非標準的胺基酸(Non-carnonical Amino Acids)2,甚至是讓大腸桿菌複製六碼的 DNA3。這些研究引入的鹼基各有不同,Z:P 和 S:B 都有人採用,也有非嘌呤-嘧啶結構的 dNaMTP、d5SICSTP。4

八文字 DNA 則是一次引入 Z:P 和 S:B 兩對非標準的鹼基合成雙股DNA。

研究中首先檢驗了八碼 DNA 的熱力學性質,測量其單股結合成雙股時的能量變化。在標準DNA的熱力學性質中9,有一項假設稱為「最近相鄰模型」(Nearest-Neighbor Model),即一個鹼基對的分開為單股能量只由自己和下一個鹼基對所決定。如此一來,由 ATCG 四個鹼基任取兩個排列出 10 種可能,以此可預測長鏈雙股DNA斷裂成單股的耗能。結果顯示,含有人工鹼基的雙股DNA也具有與標準 DNA 相似的熱力學特性。研究中預估了48種相對應的能量,進而預測核苷酸鍊的斷裂溫度。預測值的誤差與標準 DNA 的誤差範圍相近,表示八碼 DNA 也具可預測的熱力學穩定性,即與天然的ATCG相比,沒有哪個鹼基的組合特別容易分開或難以分開。另外,本研究中也以三種不同八碼DNA 做晶體結構分析,證實其結構的相似性。

雙股聚合的總能量G(n)是每個鹼基能量的總和;而每個鹼基對的能量取決於氫鍵強度和與其相鄰的鹼基。

八碼DNA是否能被生物體的酵素辨識?

雖然八碼 DNA 的結構與標準 DNA 相似,並能符合非週期性晶體的形狀,但生物體內的核酸酶並不一定能順利辨識。

八碼DNA結晶的結構。Z:P 鹼基對(左上)和C:G(左下)的比較;S:B(右上)和C:G(右下)的比較,可見額外的鹼基對可以符合雙股螺旋的結構。

S核苷酸,因為胺基上的電子密度較低(圖上綠色處)而無法順利被一般的 RNA 聚合酶辨識。為了解決此問題,研究團隊從許多 RNA 聚合酶的變體中,找出了一個能順利將非天然鹼基轉錄成 RNA 的變體。

為了檢驗 RNA 轉錄的效果,實驗中使用了菠菜的 RNA 適體(aptamer)和相應的螢光探針來測試。這段 RNA 序列左上角的環狀未折疊區域能接上螢光探針而使其發光。在與螢光發光無關的摺疊區域中,換上非標準的鹼基(即本次新加入的 Z、P、S、B),並不影響發光,表示 RNA 鏈的折疊並沒有被破壞;反之,把非標準鹼基放在螢光分子連接的區域,因為螢光探針無法辨識出非標準的鹼基,則會讓螢光消失。

這樣的結果可以支持八文字DNA的非標準鹼基部分有正確完成轉錄。因為如果發生配對錯誤的話,不是造成摺疊破壞,就是因為非標準鹼基位在環狀未摺疊的區域,兩者都會造成螢光消失。

八文字DNA完成,下一步呢?

圖/pixabay

八文字DNA除了增加資訊密度而有潛力應用於資料儲存,更重要的是加入額外的鹼基並未影響了雙股螺旋結構的穩定性,而具有達爾文演化的能力。

DNA之所以特別,不在於能儲存資訊,因為很多分子都能做到這點。對合成生物學家帶來最大的挑戰是:「如何做出能進行達爾文演化的分子」。

值得思考的是,當核酸能承載更多的資訊時,我們要如何有相應的分子來讀取這些資訊?以及更進一步地,我們要利用這些資訊的空間來製造出什麼,有可能真的製造出具有八碼 DNA 且能自行繁衍演化的生物嗎?

RNA 轉錄成功是第一步,後續如何合成出新的胺基酸則有待科學家們繼續努力。

參考資料:

  1. Hoshika, S., Leal, N. A., Kim, M. J., Kim, M. S., Karalkar, N. B., Kim, H. J., … & DasGupta, S. (2019). Hachimoji DNA and RNA: A genetic system with eight building blocks. Science363(6429), 884-887.
  2. Zhang, Y., Ptacin, J. L., Fischer, E. C., Aerni, H. R., Caffaro, C. E., San Jose, K., … & Romesberg, F. E. (2017). A semi-synthetic organism that stores and retrieves increased genetic information. Nature551(7682), 644.
  3. Zhang, Y., Lamb, B. M., Feldman, A. W., Zhou, A. X., Lavergne, T., Li, L., & Romesberg, F. E. (2017). A semisynthetic organism engineered for the stable expansion of the genetic alphabet. Proceedings of the National Academy of Sciences114(6), 1317-1322.
  4. Dien, V. T., Holcomb, M., Feldman, A. W., Fischer, E. C., Dwyer, T. J., & Romesberg, F. E. (2018). Progress Toward a Semi-Synthetic Organism with an Unrestricted Expanded Genetic Alphabet. Journal of the American Chemical Society140(47), 16115-16123.
  5. The Nearest-Neighbor model
  6. Karalkar, N. B., & Benner, S. A. (2018). The challenge of synthetic biology. Synthetic Darwinism and the aperiodic crystal structure. Current opinion in chemical biology46, 188-195.
  7. GeneOnline 基因線上《八種遺傳字母 DNA 誕生 生命遺傳系統將改寫?
  8. Benner, S. A., Karalkar, N. B., Hoshika, S., Laos, R., Shaw, R. W., Matsuura, M., … & Moussatche, P. (2016). Alternative Watson–Crick synthetic genetic systems. Cold Spring Harbor perspectives in biology, 8(11), a023770.
  9. DNA duplex stability

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