生命個體可以說是一個複雜而龐大的化學系統，爲了維持生命的延續生命也在不斷自我演化。而演化的基礎就是DNA了。DNA用4個鹼基的排列組合完整地保存着遺傳信息，並利用RNA至蛋白的方法進行解碼，構築起整個生命體的基礎結構。這種DNA的4鹼基模式被認爲是生命的基本存在形式。但是DNA只有4種鹼基才能存在嗎？《科學》雜誌上的最新文章給出了答案：8種鹼基的DNA也能存在。

小小分子造就無數生命

這一新發現可以說是改變了科學界對生命基本分子極限的看法。儘管DNA遊蕩在現代人類體內已經超過百萬年，但其實DNA從發現至今也不過100餘年，瑞士外科醫生Friedrich Miescher在1869年從手術病人繃帶上殘留的體液中獲取了白細胞，並且從白細胞核中分離了許多富含磷酸基團的物質，他把這些物質稱作“核質”（現代生物學中已經更名爲核酸）。

在接下來的幾十年中，許多科學家也對Miescher這種“核質”的成分進行了分析，並且相繼發現了鹼基、脫氧核糖、磷酸基團等多種組成成分。1953年，我們最熟悉的兩名分子生物學家沃森和克里克提出了著名的DNA雙螺旋結構，在這個結構中鹼基按照不同順序，搭建在脫氧核糖骨架上。

圖注：當年沃森與克里克手繪的DNA雙螺旋結構；圖片來自網絡

將雙螺旋結構拉直了來看，就是許多脫氧核糖核苷酸單位組成的長鏈。每個單位包括一分子鹼基，一分子脫氧核糖和一分子磷酸基團。其中最關鍵，也是讓生命出現多樣性的基礎就是鹼基。A、T、G、C是我們熟知的4種DNA鹼基，分別代表腺嘌呤、胸腺嘧啶、鳥嘌呤、胞嘧啶。顧名思義，4種鹼基中，腺嘌呤和鳥嘌呤屬於嘌呤族，它們具有雙環結構。胞嘧啶、胸腺嘧啶屬於嘧啶族，它們的環系是一個六元雜環。

圖注：地球生命的DNA結構與鹼基對。圖片來自Wikipedia

每種鹼基分別與另一種鹼基的化學性質完全互補，由於嘌呤是雙環，嘧啶是單環，因此兩個嘧啶之間空間太大，而嘌呤之間空間不夠。只能通過嘌呤和嘧啶來進行組合，人體DNA內A總與T配對，G總與C配對。由於A與T 之間通過兩個氫鍵連接，而G與C之間通過三個氫鍵連接，因此G-C的組合比例高也會讓DNA的結構更穩定。

爲什麼說鹼基是生物多樣性的基礎呢？人類可以說是一個蛋白質的大集合體，從控制身體肌肉收縮的肌動蛋白，到幫助你消化食物的胃蛋白酶，甚至小到結合在DNA上改變活性的調節因子都是由蛋白質完成的。而不同的個體蛋白質的表達量也並不一樣，生命體在演化過程中，這些信息都被儲存在了DNA中。需要的時候再通過轉錄成RNA，並翻譯成不同的氨基酸來組合成蛋白質。

究竟要翻譯成何種氨基酸，這就依賴於鹼基的排列順序來決定。在地球生命中，基本規則都是由3個鹼基的排列順序，決定一個氨基酸的種類，這在生物學上被稱作密碼子。四種鹼基，就有4的立方共64種組合。龐大的鹼基數目，構成了各異的密碼子，也才成就了各異的我們。正因爲這種DNA鹼基組合的多樣性，也讓許多計算機領域的專家看到了信息儲存的亮點，目前已經有許多科學家用DNA當作了密碼來保存信息，並且通過信息轉換可以完全還原。

創造更多鹼基

如果有更多種鹼基不就能夠擁有更多種組合嗎？科學家也一直在探尋DNA鹼基種類的極限，2012年，美國斯克利普斯研究所的合成生物學家Floyd E. Romesberg就創造出了第三對DNA鹼基組合，它稱其爲5SICS-NaM。他檢測了在這對新鹼基加入後DNA的效率和保真性，發現能達到99.9%。2年後，Romesberg就將這個6鹼基系統導入了大腸桿菌中。意外地是，細菌對這種外來的新鹼基並不排斥，相反它們還將其當做DNA組件，完成了雙螺旋構建。其表示，儘管只多了兩個鹼基，細胞可以合成的氨基酸數目就將從20種變成172種。

時隔五年這一記錄再次被刷新，近日由哈佛大學Steven A. Benner團隊領頭，集合了美國多家知名大學的科學家，在體外合成了8鹼基的DNA。新增的4種鹼基被命名爲Z、P、S、B鹼基。類似於天然的鹼基，它們也是按照單環和雙環的結構合成的。同時按照Z-P與S-B的組合進行配對，新增的鹼基對之間都是用3個氫鍵相連，可以保證合成的8鹼基DNA的結構穩定。他們將這種8鹼基DNA叫做hachimoji DNA

圖注：左邊爲原有鹼基（C-G，T-A），右邊爲新增鹼基（Z-P，S-B）；圖片來自《科學》

DNA是遺傳信息的載體，但是要發揮實際作用，還是需要通過中心法則來實現，也就是從DNA轉錄成RNA，將RNA翻譯成蛋白質的過程。hachimoji DNA也必須能夠完成這一過程才具有實際意義，否則也只是一種人造的藝術品。爲了探究這種可能，團隊中來自得克薩斯州大學奧斯汀分校的Andrew Ellington製造了一種轉錄酶，成功地將hachimoji DNA轉錄成了RNA，這也讓8鹼基DNA的應用成爲了可能。目前研究團隊仍在繼續進行下一步的計劃，準備將這套系統導入到細菌體內，看其是否能協助細菌編碼自身的蛋白質。

圖注：新構建的8鹼基DNA，圖中G (綠色), A(紅色), C (暗藍色), T (黃色), B (青色), S (粉色), P (紫色), 和 Z (橙色)

外星生命的DNA形式？

目前科學界普遍認爲，地球生命在演化的初期遺傳信息都是以RNA形式儲存，這一過程中生命體也會不斷地修飾RNA組成的鹼基。在當時形成4個鹼基的組合後，RNA承擔着遺傳信息的載體，以及完成一些催化功能。但由於RNA組成結構的原因，其化學活性很高，容易產生突變，因此生命體逐漸朝着更穩定的DNA演化。用DNA來儲存信息，並且通過蛋白質來完成催化功能（還保留了小部分RNA的催化功能，核酶），三者通過轉錄和翻譯的過程緊密連接。

那麼hachimoji DNA有沒有可能成爲外星生命的形式呢？對此，記者郵件採訪了文章的通訊作者Steven Benner，他表示，“如果外星生命真的存在，不排除其會有不同組合的DNA，4種、6種或者像hachimoji DNA一樣有8種，”因爲不同星球上的生命體演化過程並不一樣，“可能在地球生命體選擇從RNA走向DNA時，外星生命並沒有這樣做，而是選擇繼續修飾鹼基，從而合成了更多可用的鹼基。”

在論文的新聞稿中，Benner也表示，目前來說，hachimoji DNA並算不上外星生命，因爲現在hachimoji DNA 系統還需要人爲地添加鹼基和蛋白質維持功能，而真實存在的生命體應該能完成自我延續。但是其出現，爲人類搜尋外星生命的DNA 形式提供了新思路。通過分析hachimoji DNA的結構、大小和外觀，科學界認識到生命最基本的分子還可以更大，可以有更多的形式而不是侷限於A、T、G、C，外星生命可以和地球生命並不一樣。

Benner也稱，最有可能找到外星生命的地方，其實就是在地球的實驗室中。目前，他也分析了hachimoji DNA與其他分子的結合能力，發現其可以與腫瘤細胞或者病毒完美結合，從目前的表現來看，hachimoji DNA雖然算不上外星生命，但它很有可能成爲下一代監測疾病和病毒的新型藥物。

作者 | 楊心舟

審稿 | 北京大學生命科學學院 黃凡 博士

責編 | 高佩雯

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