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人工合成DNA創造“全新微生物”

來源:新華網 作者: 2017-2-3

摘要: 北京時間1月25日消息,據國外媒體報道,美國加州斯克利普斯研究所(ScrippsResearchInstitute)的研究人員近日用一段延伸的遺傳密碼創造了一種“全新”的生命形式。科學家向大腸桿菌中引入了一些該細菌中本不存在的DNA分子。雖然修改后的大腸桿菌遺傳密碼中多了兩個片段,但仍能像正常細菌一樣生長和復制,這為科學家創造......



    英國《自然》雜志7日公布的一項合成生物學研究顯示,科學家首次將人工合成堿基對插入大腸桿菌的DNA(脫氧核糖核酸)中,且并未影響其生長和復制過程。這一成果向利用合成技術“訂制”特定生物組織邁進一步。

    遺傳物質DNA由兩條很長的糖鏈結構形成骨架,通過堿基對的結合形成穩定的螺旋結構。自然界的生命多姿多彩,最基本的堿基對卻只有兩種:腺嘌呤-胸腺嘧啶(A-T)和胞嘧啶-鳥嘌呤(C-G)。但美國研究人員構建出一種自然界不存在的生物體,它穩定包含一種代號為“X-Y”的人工堿基對。

    美國斯克里普斯研究所等機構研究人員介紹說,將人工合成堿基對植入活體生物細胞需要克服諸多困難,比如人工堿基對需要與天然堿基對融合以保持DNA結構穩定。此外,DNA在自我復制及轉錄為RNA的過程中,人工堿基對必須能在拉鏈樣結構的DNA鏈中成功地“分分合合”,還要避免被DNA修復機制當作“外來者”而清除掉。

    在最新研究中,研究人員合成了一段包含天然堿基對和人工堿基對的DNA,將其插入大腸桿菌細胞中。研究的突破之一是發現了一種特殊的轉運分子,這種由一種微藻生成的三磷酸轉運蛋白,能夠運輸人造堿基對進入細胞。結果顯示,DNA能以適當的速度和準確度進行復制,被改造的大腸桿菌細胞仍繼續生長,人工堿基對也沒有被去除。     研究負責人、斯克里普斯研究所的羅姆斯伯格介紹說,雖然此次研究中的人工堿基對還不能參與制造新型蛋白質,但從理論上說,引入X-Y堿基對可將構成蛋白質的氨基酸提升到172種,而目前生物體內的蛋白質是由20種基本氨基酸構成的。

    研究人員還強調說,公眾不必擔心這種自然界不存在的大腸桿菌逃出實驗室及其可能造成的危害,因為人工合成堿基對在實驗室外無法復制,它們進入細胞必須借助特殊的轉運蛋白。

    合成生物學近年來的一大研究焦點就是通過化學手段合成人工堿基對,在其中加入特定的遺傳信息,希望最終能制造出具有特定功能的蛋白質乃至生物組織,用于生物醫療等領域。

北京時間1月25日消息,據國外媒體報道,美國加州斯克利普斯研究所(Scripps Research Institute)的研究人員近日用一段延伸的遺傳密碼創造了一種“全新”的生命形式。科學家向大腸桿菌中引入了一些該細菌中本不存在的DNA分子。雖然修改后的大腸桿菌遺傳密碼中多了兩個片段,但仍能像正常細菌一樣生長和復制,這為科學家創造全新的人造生命奠定了一定基礎。

研究人員稱這些經過修改的微生物為科學家提供了”創造擁有全新特征屬性的微生物“的契機。未來科學家可能會著手研發能夠生產新型蛋白質的微生物,這或許能幫助我們發明新藥物,并取得納米技術的重大突破。

研究人員其實在2014年就培育出了這些微生物,但它們只存活了一段很短的時間。如今該團隊終于找到了使它們保持活力的方法,并且在復制時,它們的合成DNA還能遺傳給下一代。 斯克利普斯研究中心的首席科學家羅梅斯伯格博士(Dr Romesberg)指出:“你的基因組不僅要在一天之內保持穩定不變,在你的一生中都必須如此。如果人工合成的生物要成為真正的生物,就必須使遺傳信息保持穩定不變。”他們還對細菌進行了編輯,清除了所有不含合成DNA的細菌DNA。

不過,有些人對“合成生物學”的快速進步表示擔心,認為新型生物可能會從實驗室中逃逸、造成無法預料的后果。天然的DNA由四個“字母”組成,分別為A(腺嘌呤)、C(胞嘧啶)、G(鳥嘌呤)、和T(胸腺嘧啶)。而DNA的“近親”RNA中還包含另一個“字母”,即U(尿嘧啶)。A、C、G、T兩兩構成“堿基對”,不同的排列順序決定了不同的生命形式。

“雖然地球上的生命多種多樣,但都由兩種堿基對構成:A-T與C-G。而我們培育的微生物中還含有第三種、自然界中不存在的堿基對。”羅梅斯伯格博士說道。這一新型堿基對由X和Y構成,不存在于自然界中,因此含有該堿基對的細菌是一種全新的生命形式。

羅梅斯伯格博士表示:“這說明還存在其它儲存遺傳信息的方式,也意味著延伸DNA生物學具有很大的潛力,能幫助我們研發新藥物、或是新型納米技術。”此次研究向活細胞中加入了一種全新的堿基對,而這一過程在進化史中經歷了十億年之久。

2008年,羅梅斯伯格博士帶領的研究人員團隊成功在試管中復制出了一種自然界中不存在的堿基對。他們還將這一“半合成”的DNA轉錄成了RNA,向創造新型蛋白質邁出了第一步。但活細胞內部環境十分復雜,實施同樣的步驟面臨著巨大的挑戰。

為解決這一問題,科學家先是將人造堿基對分子d5SICS(Y)和dNaM(X)加入到細胞外的一種溶劑中。接著,該研究的共同作者約克·張(Yorke Zhang)和布萊恩·萊姆(Brian Lamb)研發了一種名為核苷酸轉運劑(nucleotide transporter)的工具,將它們送到細菌細胞內部。

“這是一次巨大的突破,對我們起到了極大幫助。”共同作者丹尼斯·馬里謝夫博士(Dr Denis Malyshev)表示。研究人員在2014年使用的核苷酸轉運劑對細菌造成了破壞,但他們通過修改解決了這一問題。

他們對人工合成的Y堿基進行了改良,對它的化學組成做了一些修改,使細胞更易于復制堿基對。科學家還合成了一些名叫質粒(plasmids)的環狀DNA,將它們嵌入大腸桿菌基因組中。其中含有天然的A-T與C-G堿基對,還有人工合成的d5SICS-dNaM堿基對。

雖然這些質粒不屬于細菌本身的染色體DNA,但它們也參與了細胞的復制過程。令研究團隊驚訝的是,這些半合成的質粒并未對大腸桿菌的生長造成嚴重影響,也沒有在復制過程中丟失。

接下來,科學家希望證明細胞中人工合成的DNA也能轉錄成RNA分子,并參與細胞中的蛋白質合成過程。“從理論上來說,我們可以用自然界中不存在的新型氨基酸合成新型蛋白質,這能幫助我們更好地將蛋白質用于治療和診斷中,還能制成擁有特定功能的實驗室試劑。在納米材料等領域,它或許也能一展身手。”

針對此次研究結果,德州大學的羅斯·泰爾(Ross Thyer)和杰瑞德·埃爾夫森(Jared Ellefson)評論道:“如果該技術……也能用于其它堿基對,那么DNA堿基對將遠遠不止三種。”

“這也讓我們深思,為何自然界的生命僅由兩種堿基對組成?半合成微生物既然能儲存更多遺傳信息,是否能擁有更多的功能、或忍受更嚴酷的環境?”

“科學家試圖擴展遺傳密碼子,對DNA的天然特性勇敢地發起了挑戰。而他們試圖修改DNA的做法也可能會招致人們的批評。”


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