如何制造前所未有的生命?

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发布时间:2023-01-04 浏览次数:1152

       地球上的生命可谓一个奇迹。


  可是,什么是制造这个奇迹必不可少的呢?随着人们对生命一步步地深入认识,原先认为必不可少的东西(比如说蛋白质)都被一一抛弃了,最后只剩下一样东西——DNA。生物学家发现,所有的细胞生命都离不开DNA。


  但现在他们又发现,连DNA也不是生命所必需的。


       天然的DNA有哪些特征?


  细胞生命的最重要特征之一是遗传,遗传是通过DNA上的基因复制来实现的。这些基因不仅告诉我们的身体该怎么长,还把父母亲的特征传给我们。DNA被称为“生命密码”就是这个道理。每个人身上都有这样一套“密码”。


  DNA的构造是1953年由沃森和克里克破译的。他们发现,它由两条以双螺旋的形式互相缠绕的脱氧核苷酸长链组成,中间通过一对对碱基相连。如果把DNA看成一架双螺旋状的梯子,两条长链就相当于两边的扶栏,而碱基对相当于中间踏脚的横木。每条“横木”都由两个碱基组成,每边各出一个,碱基之间则通过氢键(一种分子间作用力)相连。


  碱基有4种类型,它们只能以特定的方式配对:腺嘌呤(A)配胸腺嘧啶(T),鸟嘌呤(G)配胞嘧啶(C)。碱基的序列就编码着我们基因中的信息。


  这些碱基的大小还不一样,嘌呤要比嘧啶大,所以每对碱基事实上是以大对小,或小对大的方式配对的。


  这一切构成了我们对DNA的基本认识。自然界中存在的DNA都符合这些特征。


       天然DNA的特征被一一打破


  但是,近年来越来越多的研究表明,这些特征并不是DNA的遗传功能所必需的,改变其中的一些特征,DNA照样能工作。如果我们狭义地只把天然的DNA认作DNA,那么修改后的DNA就不能算是真正的DNA了,我们完全可以给它取个另外的名字。


  对DNA的第一个重要修改是扩大了碱基的数量。2014年,一位美国生物学家制造了具有6种碱基的DNA:原始的4种碱基加上2种人工碱基。


  后来,英国剑桥大学的一位分子生物学家又进行了另一项尝试。他保持碱基不变,但把DNA长链上原先的脱氧核糖替换成其他分子,制造出“XNA”(DNA中的“D”代表的就是脱氧核糖)。他发现,非天然的XNA也能行使遗传物质复制的功能。


  最近,美国生物学家斯蒂芬·本纳和他的同事又对DNA花样翻新。他们用4个分子团替代标准碱基,制造出一种人工DNA,因这些分子团比碱基小,所以这个人工DNA比天然DNA要瘦;此后,他们如法炮制,用另4个大分子团,制造出另一种胖DNA。


  不管瘦还是胖,它们都发挥了DNA的关键功能:如果两个碱基配对不正确,错放的一个就会被迅速清除,并被正确的碱基取代。天然DNA就是这样确保我们的基因不会被弄乱的,而修正版的DNA也能做到这一点。


  更值得一提的是,这样的人工DNA还打破了一项规则。我们前面提到,在天然DNA上,碱基是以“大对小”或“小对大”的方式配对的。但在瘦DNA上,配对方式是“小对小”;在胖DNA上,是“大对大”;而两者都一样能工作。

       DNA并不是生命所必需的


  不过,我们也要看到,虽然人工DNA目前还存在种种令人不满意之处,但通过不断改进,也许有一天会工作得跟天然DNA一样出色。如果真做到了这一点,也就证明了一点:DNA(特指天然的DNA)并不是生命所必需的。


  科学家对此似乎很有信心。比如,为什么天然DNA上只有4种碱基?为什么不是6种或10种?他们说:我们的生命祖先可能由于条件的限制(比如化学原料缺乏等),只简单地设计出了4种碱基。一旦生命体拥有了足够使用的碱基,它们就不再需要新的碱基了。我们只能承认这是“历史的选择”,但绝不是唯一可能的选择。大自然以它自己的方式设计了生命,但是肯定还有其他的途径也能够达到同样的目的。


  这个观点对于寻找外星生命是很有启发意义的。我们现在在外星球寻找的都是微生物之类的原始生命,这些东西肉眼不可见,只能通过仪器来分析。但我们的仪器设计起来是用来发现类似地球上的天然DNA的。万一外星生命的DNA跟我们不一样,我们可能就错过了。


  可是,我们凭什么认为它们的DNA跟我们的一样呢?考虑到我们的DNA是地球历史环境的产物,那外星生命会使用和我们一样的碱基吗?难道类型也只限于4种,而不是2种或6种?我们实在不敢打这样的包票。在这情况下,我们寻找外星生命就不应该限于寻找天然DNA,还应该再找找其他形式的遗传分子。


  另外,人工DNA的出现,意味我们又多了一种制造自然界不存在的生命的办法。


  在此我们不妨回忆一下:从零开始创造生命,最早是由美国著名遗传学家克雷格·文特尔于2010年取得突破的。他和他的团队在实验室参照一种细菌的天然DNA,利用化学物质,像玩积木一样一个碱基一个碱基地拼凑出整条相同的DNA。然后把这条人工DNA植入被挖掉细胞核的单细胞生物里,让它复制、繁衍。这是第一个人造生命。但这个人造DNA,除了是人造的,与天然DNA并没有本质区别。


  但现在,碱基可以人为增加,甚至碱基和DNA长链都可以用别的材料替代。这样的人造生命可以说改造得更为彻底。甚至可以说,我们制造出了地球上前所未有的生命!


  目前的人工DNA主要在非细胞生命环境中(比如病毒)工作,有个别是在细菌中工作。前面提到的有6种碱基的人工DNA,科学家将其植入大肠杆菌后,制造出152种自然界并不存在的氨基酸。做这种实验,先要把细菌的天然DNA用人工DNA替换掉,但既然DNA都改变了,细菌当然严格来说都不是原先的天然细菌,只能算人工细菌了。但这些人工细菌在实验室只要给予必要的资源,都能自我复制和繁衍。


  还是大自然更胜一筹


  既然这么多人工DNA也能工作,这就引出一个问题:DNA是生命进化过程中大自然鬼斧神工的杰作,还是只是众多设计方案中再普通不过的一种呢?


  最初,科学家对天然DNA很不以为然,认为它的设计很多地方显得十分“笨拙”。以那两条脱氧核苷酸长链为例,它们富含负电荷,这是多么愚蠢的一项设计。我们知道负电荷之间会互相排斥,所以两条DNA链很难聚集在一起形成双螺旋结构,于是才有了碱基配对这种方式,帮助DNA链形成双螺旋结构。


  再有,配对碱基之间是通过氢键结合在一起的,但是氢键的结合力是非常弱的,很容易被水分子破坏,可细胞里含量最丰富的恰恰就是水。如果换做你,你会放心用这么脆弱的一种方式将重要的遗传信息遗传下去吗?


  但当科学家们自己去设计人造DNA的时候,通过一次次失败,他们才参悟到,天然DNA的这些“缺陷”恰恰是它的独到之处。还是以带负电荷的两条长链为例,当科学家用电中性的分子替代之后,他们发现这样的长链根本伸展不开,稍长一点就拧在一起。所以,大自然在DNA链中设置这些负电荷,让两条长链相斥,可能就是为了让DNA长链保持一种伸展的状态。


  之后的研究又发现,连接两个碱基的氢键虽然很弱,容易被水分子破坏,但也因此比较容易拆下来替换。这提高了DNA自身的修复能力。


  此外,尽管科学家已经研制出这么多能工作的人工DNA,但它们在每次复制中,保真率(即正确复制的概率)还是不如天然DNA。人类目前能够达到的最好成绩,却是大自然的最差表现。尤其是一些人工碱基,在复制中很容易被天然碱基替换掉。看来,细胞生命虽然也被迫接受了人工的东西,但似乎还得不到它们的真正认可。


  现在,科学家也已经意识到,不能把这些人工的东西塞进细胞就算完事了,如何让细胞接纳这些人工碱基才是今后工作的重头戏。

       本文来源:大科技  作者:大科技   仅用于分享。如有侵权,请联系hq13379078029@163.com修改删除。




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