[科普中国]-哈佛科学家发现8碱基的DNA，会是外星生命的形式吗？

生命个体可以说是一个复杂而庞大的化学系统，为了维持生命的延续生命也在不断自我演化。而演化的基础就是DNA了。DNA用4个碱基的排列组合完整地保存着遗传信息，并利用RNA至蛋白的方法进行解码，构筑起整个生命体的基础结构。这种DNA的4碱基模式被认为是生命的基本存在形式。但是DNA只有4种碱基才能存在吗？《科学》杂志上的最新文章给出了答案：8种碱基的DNA也能存在。小小分子造就无数生命这一新发现可以说是改变了科学界对生命基本分子极限的看法。尽管DNA游荡在现代人类体内已经超过百万年，但其实DNA从发现至今也不过100余年，瑞士外科医生Friedrich Miescher在1869年从手术病人绷带上残留的体液中获取了白细胞，并且从白细胞核中分离了许多富含磷酸基团的物质，他把这些物质称作“核质”（现代生物学中已经更名为核酸）。在接下来的几十年中，许多科学家也对Miescher这种“核质”的成分进行了分析，并且相继发现了碱基、脱氧核糖、磷酸基团等多种组成成分。1953年，我们最熟悉的两名分子生物学家沃森和克里克提出了著名的DNA双螺旋结构，在这个结构中碱基按照不同顺序，搭建在脱氧核糖骨架上。图注：当年沃森与克里克手绘的DNA双螺旋结构；图片来自网络将双螺旋结构拉直了来看，就是许多脱氧核糖核苷酸单位组成的长链。每个单位包括一分子碱基，一分子脱氧核糖和一分子磷酸基团。其中最关键，也是让生命出现多样性的基础就是碱基。A、T、G、C是我们熟知的4种DNA碱基，分别代表腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤、胞嘧啶。顾名思义，4种碱基中，腺嘌呤和鸟嘌呤属于嘌呤族，它们具有双环结构。胞嘧啶、胸腺嘧啶属于嘧啶族，它们的环系是一个六元杂环。图注：地球生命的DNA结构与碱基对。图片来自Wikipedia每种碱基分别与另一种碱基的化学性质完全互补，由于嘌呤是双环，嘧啶是单环，因此两个嘧啶之间空间太大，而嘌呤之间空间不够。只能通过嘌呤和嘧啶来进行组合，人体DNA内A总与T配对，G总与C配对。由于A与T 之间通过两个氢键连接，而G与C之间通过三个氢键连接，因此G-C的组合比例高也会让DNA的结构更稳定。为什么说碱基是生物多样性的基础呢？人类可以说是一个蛋白质的大集合体，从控制身体肌肉收缩的肌动蛋白，到帮助你消化食物的胃蛋白酶，甚至小到结合在DNA上改变活性的调节因子都是由蛋白质完成的。而不同的个体蛋白质的表达量也并不一样，生命体在演化过程中，这些信息都被储存在了DNA中。需要的时候再通过转录成RNA，并翻译成不同的氨基酸来组合成蛋白质。究竟要翻译成何种氨基酸，这就依赖于碱基的排列顺序来决定。在地球生命中，基本规则都是由3个碱基的排列顺序，决定一个氨基酸的种类，这在生物学上被称作密码子。四种碱基，就有4的立方共64种组合。庞大的碱基数目，构成了各异的密码子，也才成就了各异的我们。正因为这种DNA碱基组合的多样性，也让许多计算机领域的专家看到了信息储存的亮点，目前已经有许多科学家用DNA当作了密码来保存信息，并且通过信息转换可以完全还原。创造更多碱基如果有更多种碱基不就能够拥有更多种组合吗？科学家也一直在探寻DNA碱基种类的极限，2012年，美国斯克利普斯研究所的合成生物学家Floyd E. Romesberg就创造出了第三对DNA碱基组合，它称其为5SICS-NaM。他检测了在这对新碱基加入后DNA的效率和保真性，发现能达到99.9%。2年后，Romesberg就将这个6碱基系统导入了大肠杆菌中。意外地是，细菌对这种外来的新碱基并不排斥，相反它们还将其当做DNA组件，完成了双螺旋构建。其表示，尽管只多了两个碱基，细胞可以合成的氨基酸数目就将从20种变成172种。时隔五年这一记录再次被刷新，近日由哈佛大学Steven A. Benner团队领头，集合了美国多家知名大学的科学家，在体外合成了8碱基的DNA。新增的4种碱基被命名为Z、P、S、B碱基。类似于天然的碱基，它们也是按照单环和双环的结构合成的。同时按照Z-P与S-B的组合进行配对，新增的碱基对之间都是用3个氢键相连，可以保证合成的8碱基DNA的结构稳定。他们将这种8碱基DNA叫做hachimoji DNA图注：左边为原有碱基（C-G，T-A），右边为新增碱基（Z-P，S-B）；图片来自《科学》DNA是遗传信息的载体，但是要发挥实际作用，还是需要通过中心法则来实现，也就是从DNA转录成RNA，将RNA翻译成蛋白质的过程。hachimoji DNA也必须能够完成这一过程才具有实际意义，否则也只是一种人造的艺术品。为了探究这种可能，团队中来自得克萨斯州大学奥斯汀分校的Andrew Ellington制造了一种转录酶，成功地将hachimoji DNA转录成了RNA，这也让8碱基DNA的应用成为了可能。目前研究团队仍在继续进行下一步的计划，准备将这套系统导入到细菌体内，看其是否能协助细菌编码自身的蛋白质。图注：新构建的8碱基DNA，图中G (绿色), A(红色), C (暗蓝色), T (黄色), B (青色), S (粉色), P (紫色), 和 Z (橙色)外星生命的DNA形式？目前科学界普遍认为，地球生命在演化的初期遗传信息都是以RNA形式储存，这一过程中生命体也会不断地修饰RNA组成的碱基。在当时形成4个碱基的组合后，RNA承担着遗传信息的载体，以及完成一些催化功能。但由于RNA组成结构的原因，其化学活性很高，容易产生突变，因此生命体逐渐朝着更稳定的DNA演化。用DNA来储存信息，并且通过蛋白质来完成催化功能（还保留了小部分RNA的催化功能，核酶），三者通过转录和翻译的过程紧密连接。那么hachimoji DNA有没有可能成为外星生命的形式呢？对此，记者邮件采访了文章的通讯作者Steven Benner，他表示，“如果外星生命真的存在，不排除其会有不同组合的DNA，4种、6种或者像hachimoji DNA一样有8种，”因为不同星球上的生命体演化过程并不一样，“可能在地球生命体选择从RNA走向DNA时，外星生命并没有这样做，而是选择继续修饰碱基，从而合成了更多可用的碱基。”在论文的新闻稿中，Benner也表示，目前来说，hachimoji DNA并算不上外星生命，因为现在hachimoji DNA 系统还需要人为地添加碱基和蛋白质维持功能，而真实存在的生命体应该能完成自我延续。但是其出现，为人类搜寻外星生命的DNA 形式提供了新思路。通过分析hachimoji DNA的结构、大小和外观，科学界认识到生命最基本的分子还可以更大，可以有更多的形式而不是局限于A、T、G、C，外星生命可以和地球生命并不一样。Benner也称，最有可能找到外星生命的地方，其实就是在地球的实验室中。目前，他也分析了hachimoji DNA与其他分子的结合能力，发现其可以与肿瘤细胞或者病毒完美结合，从目前的表现来看，hachimoji DNA虽然算不上外星生命，但它很有可能成为下一代监测疾病和病毒的新型药物。作者 | 杨心舟审稿 | 北京大学生命科学学院 黄凡 博士责编 | 高佩雯文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”