科學家創造出DNA第5個「字母」

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。

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。

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).