人造DNA來襲

數十億年來，地球生命對“一切生物多樣性都由DNA中的4種堿基承載”一直沒有異議。

突然，有的科學家不干了。

“這實在太局限了。”美國斯克里普斯研究所化學家弗洛伊德·羅姆斯伯格（Floyd E. Romesberg）說，設想一下，如果英語只有四個字母，“也許可以寫幾個詞，用它講幾個粗糙的故事，但是如果多幾個字母，你就能多寫很多東西。能夠儲存更多的信息，就能寫更有意思的詞，更大的詞，更復雜的詞，更微妙的詞，更好的故事”。

史上第一次，“得瑟”的科學家終于成功了。他們擴展了生命遺傳字母表，向細菌里加入了兩個新的人造“字母”——而且這段新DNA是可以復制的。2014年5月，美國科學家在《自然》雜志刊發(fā)文章宣布，這一研究已在改變生命的基本字母表方面邁出了一大步。

多兩個字母能講什么新故事？科學家們認為，基于相關研究有望最終培養(yǎng)一些有機體，來制作僅含自然遺傳密碼的細胞所無法制作的疫苗、藥物和其他產品，并可能最終誕生出特殊的人造生物，合成天然生物辦不到的藥品或者工業(yè)產品。

當然，這在變得真正可行之前，相關領域的研究還面臨不少爭議和質疑，還有很多工作要做。

密碼表“擴容”

盡管生命千差萬別，但無論簡單的細菌，還是復雜的人類，所有物種都擁有相同的遺傳密碼。

這一密碼由DNA中的四種化學單位，也僅僅是由這四種化學單位組成。它們也被稱為核苷酸或堿基，分別是胞嘧啶（通常用字母C表示）、鳥嘌呤（G）、腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）。其中，A與T“情比金堅”，C和G不可分割。地球上的生物如此豐富多彩，歸根結底都是由這兩對堿基承載。

在每一種已知生物體的正常DNA中，雙螺旋結構的雙鏈與T、G、A、C四種堿基連接在一起，它們決定了細胞生成哪些蛋白質，而這些蛋白質又反過來決定了細胞乃至機體組織和器官的結構、功能和調節(jié)，并完成其絕大部分工作。

但現在，美國科研人員卻在DNA字母表中增加了兩個新字母，人工合成了一對堿基對，并且把它塞到了活細胞中。

更令人激動的是，這“入侵”的堿基對還存活了下來，參與了細胞的復制過程。這一實驗結果給人無限遐想，或許未來，新的蛋白質、新的生命體都將會出現。

加州大學圣迭戈分校斯克里普斯研究所（Scripps Research Institute）的科學家5月在《自然》雜志發(fā)表論文說，他們使用化學方法，生成了兩個新的核苷酸，稱為新堿基X和Y，創(chuàng)造了一種新的DNA形式，成功地制造了第一個“包含擴大遺傳字母的半合成生物體”。

研究人員說，這種新堿基真正的名字是d5SICS-dNaM，其結構和已知堿基完全不同，并把它放進了最常見的實驗室細菌——大腸桿菌里。需要強調的是，這種半合成的外源生物體能夠繼續(xù)正常繁殖，并在繁殖中保存新的外源DNA。科研人員把一對XY導入常見的大腸桿菌中后發(fā)現，盡管速度比平常稍慢一點，但細菌確實可以像復制天然的核苷酸一樣復制X和Y。當大腸桿菌復制時，這些人造堿基也成功復制了，論文的數據表明，它們至少復制了24輪。

自2009年以來，他們已經嘗試了三百多種人造堿基，但這是第一個能被細胞的復制機制識別的堿基對。斯科普里斯研究所找到了一個十分巧妙的辦法：植物中的葉綠體有一個轉運蛋白能夠從周圍別的組織提取堿基，相關基因已經被發(fā)現，于是他們將來自藻類的相關基因轉入大腸桿菌，讓它們在復制時成功地攝入并利用了這些新堿基。

“兩種DNA堿基對，即A-T和C-G，編碼出地球上多姿多彩的生命。而我們構建出一種有機體穩(wěn)定了這兩對DNA堿基對，還有第三種新的堿基對。這表明有可能存在其他儲存信息方式，使我們進一步擴展DNA生物學，也包括新藥物和新型納米技術等。”羅姆斯伯格說。

事實上，關于生命是否能用其他化合物存儲遺傳信息的問題，早在1960年代就有科學家在思考，但直到1980?1990年代，人類才獲得實質性突破。

隨著生物技術呈指數級快速進步。近些年來，也有不少關于新堿基的報道。但它們要么是不能在體內穩(wěn)定復制的人工堿基，要么是在生物體內從“普通”堿基修飾而來，在嚴格意義上，都不是真正的“新堿基”。

所以說，羅姆斯伯格團隊的實驗結果，是個非常大的突破。

斯克里普斯研究所的科學家早在2010年就曾開發(fā)出一對非天然堿基對（d5SICSTP和dNaMT），這對堿基對可以在一個純凈的無細胞系統(tǒng)中實現DNA復制過程。但把這個結果推衍到一個細胞中并非輕而易舉。

例如，如何把這些非自然的堿基對引導入細胞就是一個挑戰(zhàn)。

新密碼的未來價值

就在斯科里普斯研究所刊發(fā)論文的同時，軟件設計和工程公司歐特德斯科（Autodesk）花費2周時間和大約1000美元，設計了一種合成噬菌體（即病毒），然后通過3D打印把結果呈現出來。該公司研究員安德魯·海斯爾（Andrew Hessel）說，“我們正在考慮這樣一種可能性，即你可以使用生物代碼（即DNA）為生物編寫軟件。”

斯科里普斯研究所如今已經成立了一家公司，嘗試用這一新技術研發(fā)新的抗生素、疫苗和其他產品。

羅姆斯伯格說，導入合成核苷酸的細菌逃逸到了環(huán)境中，或者進入某種生物體內，它們將無法獲得合成活動所需的原料，要么死亡，要么恢復到只使用天然DNA的狀態(tài)。

因此，他們正考慮采用這一技術來培養(yǎng)一些病毒或細菌，讓它們成為活疫苗。因為這種活疫苗進入血液后，將可能誘發(fā)免疫反應，但卻不會復制。

另一個可能用途是讓細胞生成新型蛋白質。新型蛋白質將擁有更多應用價值。如在制藥領域，可讓藥物更加有效地殺滅腫瘤，或者使有效成分在血液中停留的時間更長。

更讓人激動的是，科學家認為，這項研究還在某種程度上支持了這樣一個假說：宇宙的其他地方可能有生命存在，它們的遺傳方式與地球上的不同。

不過，雖然大腸桿菌能夠復制這對新堿基，它還不能“識別”。這兩個堿基無法表達。“我們還沒到那一步，我們現在關注的只是遺傳信息的儲存過程。”羅姆斯伯格說。

有爭議的科學

有些人擔心，新生物會不會失控并造成危害，對此，羅姆斯伯格認為，這項技術是安全的。

盡管如此，《自然》雜志刊發(fā)的這項研究成果，已經再次引發(fā)人們對安全的擔憂，以及在科學領域加強監(jiān)管的呼聲：人類是否又在扮演上帝了？

在基因組計劃時期，即使是編寫最小的生命基因組，DNA合成技術也顯得過于粗糙和昂貴。而如今，“合成生物學”等研究已可以把上述工作從分子層面轉移到數字層面。

合成生物學（synthetic biology）即為特定目的創(chuàng)建生物系統(tǒng)。科研人員可以像使用文字處理器編輯文本那樣剪切和粘貼DNA信息，將單個遺傳字母精確地調入調出。在點擊發(fā)送后，十幾家不同的DNA打印工廠就可以把這些字節(jié)轉變?yōu)樯?/p>

創(chuàng)建使用非天然核苷酸的新生物，一直是合成生物學的目標。這樣的生物，可以為很多細胞工程（使用非天然氨基酸合成新蛋白）提供平臺。

盡管目前還處于萌芽狀態(tài)，然而合成生物學的研究領域正在風起云涌。不過，這類科學始終面臨質疑。

此外，這一領域還面臨渴望專利和支持所有內容免費開放這兩方之間的摩擦。

“合成生物學家發(fā)明了玩弄生命基本元素的新方法，而政府連監(jiān)督、評估、監(jiān)管該領域的基本對策都還沒有準備好”，加拿大權益倡導組織ETC集團（ETC Group）的吉姆·托馬斯對媒體說。他認為，假以時日，這種前所未有的“外來”生命形式可能會在倫理、法律和監(jiān)管方面產生深遠影響。

顯然，這將是人類社會未來需要直面的新挑戰(zhàn)。