尽管DNA已经存在了数十亿年，但科学家相信有能力将其改造的更好。当来自佛罗里达盖恩斯维尔应用分子进化基金会生物化学家史蒂文·本纳（Steven Benner）开始重新设计遗传分子时，他却没有多想在DNA上着手。班纳指出，从一开始就他就意识到，这项设计其实并不怎么高明……要是想揭示出谜底，只有继续动手再实验。
史蒂文·本纳
重新设计DNA的用武之地
DNA主链是由含重复的、带负电荷的磷酸基团构成的。因负电荷具有排斥性，受此特性影响，导致在双体螺旋结构下的双链DNA很难粘结在一起。在自然界中，只有两组碱基配对类型：腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和鸟嘌呤(G)。这两组配对类型主要靠氢键进行互相配对，但这些氢键间的结合作用很弱，极易被水分子破坏，而细胞却是由水注满的。本纳入指出，你信赖的价值遗传基因会被送至水中的氢键上，如果你是从事此项设计的化学家，相信你决不会这样做的。
尽管生命有多种正当理由能塑造这种结构，却也阻止不了如本纳等科学家试图改变其自然属性的决心。在过去几十年中，科学家们已经对DNA的基本成分进行过修饰，并开发出A、T、C和G以外的碱基字母，并让它们以类似的方式进行配对和复制。据本纳介绍，目前仍有不少纠结的问题亟待解决。迄今为止，只有少数非自然碱基对能连续插入DNA，细胞仍不能完全利用外源生化合成的碱基。
重新设计DNA及其远亲RNA已经有了用武之地。人造碱基对已经能够用于检测病毒，并在医学领域可以找到其他用途。但科学家们依旧对其全部充满好奇之心，他们希望最终开发出的有机体能让扩大的非自然遗传字母存储更多的信息，或诞生出根本不含自然遗传字母的基因组。在创造这些生命形式的过程中，研究人员可以学到更多有关遗传分子结构基础性制约因素的知识，以此判断自然碱基对生命有无必要，或只是简单地起着多种方案中的一种方式而已。“尽管生物在地球上有其特定的存在方式，但一般而言，还会有其他实现这些目标的方式”，加州拉荷亚斯克利普斯研究所的核酸生物学家杰拉尔德·乔伊斯（Gerald Joyce）如是说。
早在上世纪70年代读研究生的本纳，就开始对改变自然结构感兴趣了。化学家们合成了各类化学物质，从多肽到毒药，有人甚至想尝试让构建分子跟自然酶一样，具有其相同的功能，或具有不同化学结构的抗体，但他们却在很大程度上忽略了DNA的作用。从设计角度看，化学家们当时将注意力全部放在了其他所有类别的分子上，而忽略了生物学的中心――DNA。
1986年，本纳在苏黎世瑞士联邦理工学院建立了实验室，尝试重建DNA主链。在实验中，他很快意识到有时看似是瑕疵，却可能是一种特性的表达。当他及团队成员利用中性化学（群）基团替代主链负电磷酸盐时，他们发现，任何长于约12个单位的链都会自行折叠。这是否是其需排斥电荷而保持分子延展的缘故？
为了证明碱基更能经得起修饰，本纳开始创建类似于自然界的碱基对，但利用的是重新排列的氢键单元。他的团队测试了两种新碱基对：iso-C和iso-G及K和黄嘌呤核苷。实验显示，用于复制DNA或转录RNA的聚合酶竟然能够读取含非自然碱基对的DNA，且能将互补的配体插入DNA或RNA发育链中。核糖体，一种能将RNA转录成蛋白质的细胞机器，也能读取含iso-C的RNA片段，并利用此片段，再添加非自然氨基酸后送入发育蛋白中。
本纳指出，位于遗传中心的碱基对为分子的可延展性给我们预留了极大空间。研究人员遇到的问题，是因为氢原子趋于游离状，iso-G经常会演变成另一种形式与T结对，而非iso-C。
多个研究团队竞相揭示谜底
加州斯坦福大学化学家埃里克·库尔（Eric Kool），他所领导的团队在利用固定式氢键排列开发非自然碱基对过程中，创建了一种类似于自然碱基T的碱基对，除了存有的其他差异外，只是用氟替代了氧原子。被称之为二氢甲苯（简称F）的新碱基结构，几乎与T碱基形状完全一样，只是阻止了氢原子的游离性。
但该团队不久便发现，处于氢键位置上的F是非常令人担心的，聚合酶仍将其看成是碱基T：在DNA复制过程中，他们在F的对面插入了A，反之亦然。实验显示，只要碱基形状正确，聚合酶就能准确地跟踪到它（按照库尔的说法，如果键位合适就会奏效）。
然而，其他科学家们则对此持怀疑态度。他们对氢键念念不忘，以至于很难设想将它替换掉。他们质问库尔：为什么DNA复制不需要氢键，那可是螺旋的中心。不用氢键，就得考虑通常与亲水性相关的亲水分子等属性物质。而库尔团队开发的F和其他形状的仿制碱基都是疏水型的――能够让碱基在双螺旋结构中保持稳定。
在库尔的基础上，斯克里普斯研究所的弗洛伊德·罗姆斯伯格（Floyd Romesberg）扩展了疏水碱基的全部技能。从苯和萘分子开始，他的团队创建了各种衍生品。在完全看不出有类似自然碱基配对的迹象中，包括在复制阶段的实验过程中，研究人员发现了两种矛盾需求。在碱基关键位置上的酶必须具备疏水性才能将碱基插入DNA，如果酶继续参与链的复制，则还得接受氢键的存在。
罗姆斯伯格团队对60个最精确有效复制的配对碱基进行过3 600次的筛选，其中MMO2和SICS过关。据罗姆斯伯格介绍，在关键位置上，MMO2和SICS游走在疏水与亲水之中。但挑战依然存在，研究人员发现，当DNA进行到上亿次复制后，就会保持非自然状碱基配对。如果酶的非自然与自然配对太过频繁，新碱基字母最终将会消失。
来自日本横滨理化研究所系统与结构生物中心的化学家平尾一郎，受《双螺旋结构启蒙》一书的影响，对创建非自然碱基产生了浓厚兴趣并为此展开了形状设计。事后他们发现降低了碱基错配率。2011年，平尾团队报告称，含非自然疏水碱基对的DNA（被称之为Ds和Diol 1-Px）能获得99.7%至99.92%的高保真复制。同年，本纳团队发现了另一种非自然碱基对P和Z，通过氢键连接，他们实现了99.8%的复制。7月，罗姆斯伯格团队报告称，优化后的碱基对，NaM和5SICS的复制率达到了99.66-99.99%，与自然DNA松散率重叠。
2012年早些时候，英国剑桥分子生物医学研究会实验室的生化学家菲利普·霍利格尔（Philipp Holliger）及其同事展示了他们的研究方法，称使用XNA核酸，DNA或RNA中通常所含糖已经被其他环结构所替代。该团队生成了数十亿的自然聚合酶突变体，然后向这些突变体施加选择性压力促其进化（使DNA转变成XNA），从中比较最具效力的突变体，以此找出最佳者。
霍利格尔指出，聚合酶的形状就像是一只手，展开后的大拇指则为需要发生改变的关键区域。该区域在酶退出后与DNA接触，并有可能起到最终检查点的作用，以确信合成正确。霍利格尔团队还设计了一种能将XNA转回DNA的酶。
很难被撬开的“聚合酶坚果”
到目前为止，尽管在体外做了大量的修饰，但研究人员还是希望能找到可以读取和处理信息的有机体。据特拉华州纽瓦克市微生物射流技术公司的菲利普·马尔利耶（Philippe Marlière）2011年报告，工程菌是现今已知最新的将非自然碱基融入生命系统的科研成果。他和团队成员用氯尿嘧啶取代T碱基对――一种RNA碱基尿嘧啶，其中的氢键被氯替代――他们开发了一种自动系统，能将碱基逐渐引入到应变的大肠杆菌中，使其自身不能制造胸腺嘧啶。约5个月后，有些细菌在没有氯尿嘧啶的状态下难以存活，约90%的胸腺嘧啶因此从基因组中被“抹掉了”。
本纳、罗姆斯伯格和平尾都从事过诱导细胞接受其碱基对的实验工作，即使细胞接受了碱基对，但它们在执行信息处理时（如重组等）也会出现麻烦。本纳以前的研究生、来自得克萨斯大学的生化学家安德鲁·艾灵顿（Andrew Ellington）称：“这件事并没有这么简单，我认为要花大力气才能有建树。”
研究究竟会进展到什么程度，目前尚不得而知。罗姆斯伯格称，仅仅靠疏水碱基开发有机体基本上不可行，因为细胞内含有太多的元素，且这些元素已经适应了与自然碱基的合作。至于将非自然主链与非自然碱基整合为一个有机体想法，据本纳的说法，现在尚未从理论上获得足够的支持。
研究人员坚信，即使非自然碱基对在细胞中不起作用，他们仍然可以投入实际使用。位于纽约州塔里敦的西门子医疗诊断公司和得克萨斯州奥斯汀的路明克斯公司，已经开始使用iso-C和iso-G碱基对用于改善对病毒感染的检测和监测。例如，使用一系列能与患者血样中HIV-1 RNA结合的相关DNA序列，或在某些序列中插入非自然碱基能阻止该序列与血样中的随机DNA序列结合，HIV-1 RNA在较低水平能更容易被检测到。
DNA和RNA分子还可以发生催化反应，并能作为药物来使用：开发者可以向碱基对附着化学基团以此提高序列性能，非自然碱基将会使其更容易命中序列中的特定位点，而不用浸透每个C或G。例如，罗姆斯伯格团队已经在DNA中的非自然碱基对添加了连接基团，允许与各种分子进行精确连接。目前该团队正试图设计序列，以获得比自然同类物更有效的催化反应。
抛开实际应用不说，研究人员仍将受到库尔称之为“科幻吸引”的影响，即要对生物系统进行重新设计，甚至要对其进行所谓的完善。地球早期生命的形成可能是由遗传字母决定的，这是因为它们受到了适合的化学物质的“强迫”而繁衍开来。举例来说，腺嘌呤很容易从氢化氰中获得，可能在生命的初期就已经存在了，一旦有机体具备了一套可供工作的碱基，或许它们就被锁进了这个系统。本纳强调，一般人们都认为RNA优于DNA，其实这并不是支持生命存在最有力的证据，最好的证据可能存在于生命诞生之前的地球上。
如果核酸在另一个星球上单独出现的话，它们会有相同的碱基对吗？本纳认为不可能。除非有机体受到了相同的限制。但可能适用于某些通用规则，例如，带重复电荷的主链最初看似有这些倾向，但实际却在阻止折叠。这是为了在信息传递过程中（如在复制时），确保带有不同碱基序列链的行为能保持一致。尽管有些研究人员在替代主链上获得过成功，但许多尝试的结果是，在生成一个螺旋时，其分子不是太过僵硬，就是太过松散。霍利格尔认为，化学变化存有一个限度的问题，而引导适度才是致胜的关键。
不能因为受到限度的影响就裹足不前。为什么是生物化学主宰了生命的形式，它是唯一可能的答案吗？相信不是的。要想揭示出谜底，只有继续动手再实验。
资料来源 Nature
责任编辑 则 鸣