科学家工程师第一生物与扩展的遗传字母表

新出版的研究详细介绍了Scripps研究所的研究人员如何使用扩展的遗传字母表创建第一个生物体。

Scripps研究所（Tsri）的科学家们已经设计了一种细菌，其遗传物质包含添加的一对DNA“字母”，“或碱，本质上未发现。只要供应分子结构块，就可以或多或少地将非自然DNA碱复制了不自然的DNA碱基。

“在地球上的生活在其所有情况下都是由两对DNA基地，AT和CG编码，以及我们所做的是一种稳定包含这两种不自然的基地的有机体，”Tsri副教授说弗洛伊德·罗姆斯贝格，谁领导了研究团队。“这表明，存储信息的其他解决方案是可能的，当然，我们更接近扩展的DNA生物学，这些生物学将有许多令人兴奋的应用 - 从新药物到新的纳米技术。”

关于成就的报告显示在2014年5月7日，在提前在线公布本质上的出版物。

许多挑战

自20世纪90年代后期以来，Romesberg和他的实验室已经找到了可以作为新功能DNA基础的分子对 - 原则上可以为以前从未存在的蛋白质和生物编写。

任务不是一个简单的。任何功能性新的DNA碱基必须与与天然核苷碱基对腺嘌呤 - 胸腺嘧啶和胞嘧啶 - 鸟嘌呤的亲和力结合。这种新的碱也必须必须稳定地与自然碱在拉链般的DNA中稳定排列。当DNA复制和转录到RNA时，在通过天然聚合酶酶工作时，它们需要平稳地解压缩并重新拉动。并且，以某种方式这些核苷样板必须避免通过天然DNA修复机制攻击和除去。

尽管有这些挑战，到2008年，罗姆斯贝格和他的同事迈出了这一目标的一步;在该研究中发布的，他们确定了可以在双链DNA上钩上的核苷分子，几乎如天然碱对，并显示含有这些非自然碱对的DNA可以在右酶的存在下复制。在第二年出现的研究中，研究人员能够发现将该半合成DNA转化为RNA的酶。

但这项工作是在试管的简体内部进行的。“这些不自然的基对在体外工作得很漂亮，但大挑战是让他们在更复杂的生活细胞环境中工作，”德尼斯伯格实验室的成员，德士伯格实验室的成员新报告。

微藻导致突破

在新的研究中，团队合成了一种称为质粒的圆形DNA并将其插入常见细菌大肠杆菌的细胞中。质粒DNA含有天然T-A和C-G碱基对，以及最佳性能的非自然碱基对Romesberg的实验室已经发现，两个分子称为D5SICS和DNAM。目标是获得大肠杆菌细胞尽可能地将该半合成的DNA复制。

最伟大的障碍可能会放心，那些担心不受控制的新生命形式的释放：D5SICS和Dnam的分子构建块并不是在细胞中自然的。因此，为了使大肠杆菌复制含有这些不自然基础的DNA，研究人员必须通过将它们添加到细胞外的流体溶液中来供应分子结构块。然后，为了使被称为核苷三磷酸的结构块，进入细胞中，它们必须找到将完成工作的特殊三磷酸转运蛋白分子。

研究人员最终能够找到由一种微藻种制成的三磷酸转运蛋白，其在进口不自然的三磷酸盐时足够好。“这对我们来说是一个有利的突破是一个很大的突破，”Malyshev说。

虽然项目的完成又一年，但没有障碍物再次出现。该团队发现，有些令人惊讶的是，以合理的速度和准确性复制的半合成质粒并没有大大妨碍大肠杆菌细胞的生长，并没有显示出丢失其非天然基对的迹象到DNA修复机制。

“当我们停止不自然的三磷酸盐建筑物的流量进入细胞时，用天然基对的D5SICS-Dnam的替代与细胞复制本身非常好， - 似乎并没有成为不自然的碱基对的其他因素来自DNA，“Malyshev说。“重要的是，这两个突破还提供了对系统的控制。如果我们打开“基础运输车”蛋白，我们的新基础只能进入细胞。如果没有此运输器或未提供新的基础，则单元格将恢复为A，T，G，C，D5SIC和DNAM将从基因组中消失。“

下一步将以展示新的膨胀字母表DNA的细胞内转录到饲喂细胞蛋白质制造机械的RNA中。“原则上，我们可以编码新的非天然氨基酸制成的新蛋白质 - 这将使我们能够更大的力量来定制蛋白质治疗和诊断和实验室试剂，以具有所需的功能，”Romesberg表示。“其他应用，例如纳米材料，也是可能的。”

本文的其他贡献者，“具有扩展遗传字母表的半合成生物”是Kirandeep Dhami，Thomas Lavergne和Tingjian Chen，以及南戴·杰里米M. Foster和IvanR.CorrêaJr.的新英格兰Biolabs ，Inc。

该研究部分由美国国家健康研究院（GM 060005）部分资助。

出版物：Denis A. Malyshev等，“具有扩展遗传字母表的半合成生物，”自然，2014年; DOI：10.1038 / Nature13314

图像：DNA结构的数字式例证从shutterstock的