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Science:重磅!首次构建出由8种核苷酸组成的DNA,从而让DNA编码能力增加一倍

来源:本站原创 2019-02-23 15:15

2019年2月23日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究[1]中,美国研究人员通过将4种合成核苷酸与4种天然存在于核酸中的核苷酸相结合,构建出由8个核苷酸(也称为碱基)组成的DNA分子(他们称之为hachimoji分子),而且这些DNA分子的形状和行为都像是真实存在的东西,甚至能够被转录为RNA。他们说,这些hachimoji分子的信息存储容量是天然核酸的两倍,因而可能具有无数的生物技术应用。相关研究结果发表在2019年2月22日的Science期刊上,论文标题为“Hachimoji DNA and RNA: A genetic system with eight building blocks”。
图片来自Journal of the American Chemical Society, doi:10.1021/jacs.5b03482。

美国西北大学的Michael Jewett(未参与这项研究)在发送给《科学家》杂志的一封电子邮件中写道,“这是一篇令人兴奋的论文. . .一项真正的工程壮举。它优雅地增加了DNA和RNA构成单元(building block,编者注:对天然的DNA而言,构成单元为碱基A、T、C和G;对天然的DNA而言,构成单元为碱基A、U、C和G)的数量,极大地扩展了核酸储存的信息密度。”

美国里士满大学的Michael Jewett(未参与这项研究)说道,“看到有人设计出这样的系统真地令人兴奋。在生命的起源上,它引发了一个问题:为什么这4种天然的 [核苷酸形成核酸]?为什么不是8种或其他数量的核苷酸形成核酸?”

无论是什么原因,在过去的40亿年左右的时间里,仅两个碱基对---一个碱基对在鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)之间形成,另一个碱基对在腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶(T)或尿嘧啶(U)之间形成---一直是大自然创造地球上无穷无尽的生命所需要的一切。论文通讯作者、位于美国佛罗里达州的Firebird Biomolecular Sciences公司的项目负责人Steven Benner说,理论上可能会有更多的碱基对。

当嘌呤碱基(G或A)通过氢键与嘧啶碱基(C,T或U)连接在一起时,碱基对就形成了。但是,还存在其他的嘌呤碱基/嘧啶碱基类型的结构,它们也可能连接在一起产生与标准DNA相同的螺旋结构。

Benner已计算出由8种新的嘌呤碱基/嘧啶碱基类型结构形成的总共4个额外的通过氢键连接在一起的碱基对是可能的[2]。他说,基本上,DNA并没有完全利用它的结构限制。“基于此,DNA分子是可扩展的. . . .你实际上可能添加更多的碱基。”

Benner及其团队之前已将两个合成核苷酸---Z和P,它们之间形成一个碱基对---整合到DNA中[3][4],并证它们可在体外复制和转录。如今,他的团队增加了另外两个合成核苷酸--- S和B,它们之间也形成一个碱基对。

Benner团队将这两个化学合成的新型核苷酸整合到双链寡核苷酸(也含有G、A、T、C、Z和P)中,然后测试这些分子的解链温度,即让氢键受到破坏形成单链分子的温度。平均而言,他们观察到的解链温度与预测值相差不到2.1℃---这一误差范围与标准DNA寡核苷酸相类似。

美国斯克里普斯研究所的Floyd Romesberg(未参与这项研究)说道,“Benner团队如今展示的是你能够将整合到DNA中的核苷酸数量增加一倍,并且维持可预测的化学性质,我认为这是了不起的,这是一个里程碑式的成就。”

另外,三种不同的hajimoji DNA寡核苷酸的高分辨率晶体结构证实了结构上的相似性。从化学上讲,hachimoji DNA的形状和行为与标准DNA相类似。然而,读取和处理核酸的酶是很难欺骗的,因此为了将hachimoji DNA转录成RNA---这是一种对它的信息传递能力的测试,Benner团队尝试了许多噬菌体RNA聚合酶变体,直到他们发现一个能够完成这种任务的RNA聚合酶变体。

通过使用这种RNA聚合酶变体,他们成功地转录了一种已知的称为spinach 的RNA适体的hachimoji版本,它能够结合一种特定的荧光团并经照射后发出荧光。果然,这种转录的hachimoji RNA像预期那样发出荧光。

英国卡迪夫大学生物化学家Nigel Richards(未参与这项研究)说,产生功能性hachimoji RNA的能力“在RNA生物技术领域开辟了许多可能性”。他解释道,RNA可能具有催化功能,因此通过同时使用一系列新的核苷酸,“你具有更多的官能团,这些官能团能够与它们的目标分子发生不同类型的相互作用. . .因而增加你能够进行的催化反应的范围。”

新加坡生物技术与纳米技术研究所的Ichiro Hirao(未参与这项研究)说,Hachimoji DNA甚至可能与其他类型的基于不同碱基配对化学性质的人工核苷酸[5]相结合,从而可能进一步增加功能。

Romesberg说,这确实存在着“无数的应用”。(生物谷 Bioon.com)

原始新闻:
DNA’s Coding Power Doubled

Research creates DNA-like molecule to aid search for alien life

参考资料:
1. S. Hoshika et al. Hachimoji DNA and RNA: A genetic system with eight building blocks. Science, 22 Feb 2019, 363:884–87, doi:10.1126/science.aat0971.

2. Steven A. Benner et al. Redesigning nucleic acids. Pure and Applied Chemistry, 1998 Feb, 70(2):263-266, doi:10.1351/pac199870020263.

3. Millie M. Georgiadis et al. Structural Basis for a Six Nucleotide Genetic Alphabet. Journal of the American Chemical Society, 2015, 137(21):6947-6955, doi:10.1021/jacs.5b03482.

4. Liqin Zhang et al. Evolution of Functional Six-Nucleotide DNA. Journal of the American Chemical Society, 2015, 137(21):6734–6737, doi:10.1021/jacs.5b02251.

5. Y. Zhang et al. A semi-synthetic organism that stores and retrieves increased genetic information. Nature, 2017, doi:10.1038/nature24659.
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