基因语言多了两个字母

岑少宇

地球上的生命虽然千差万别，但归根结底都是由基因（DNA）书写出来的。别看基因这门“语言”用处这么大，其实只有4个“字母”，即A、T、C、G四种碱基。几十亿年来，似乎还没有什么生物对这套语言提出“异议”，但人类显然有自己的想法——2014年5月，科学家真的造出了新“字母”，更奇妙的是，它们还与原来的“语言”部分兼容，能在活细胞中复制。只靠四种碱基就能创造出如此斑斓的生物世界，新碱基将带给我们无穷的想象空间。

怎样的“字母”才算新

早在20世纪60年代，已经有科学家在思考：生命能否用其他“字母”书写？如果能够创造出新的基因“字母”，能否创造新的生命形式？但直到1989年，人类才获得实质性突破。瑞士联邦技术中心的斯蒂芬·本纳将特殊形式的C和G碱基（iso-C、iso-G）加入DNA。这些碱基被研究者称为“滑稽字母”，但结果毫不滑稽，相当振奋人心——它们在试管中能自我复制，并能转录成RNA，合成蛋白质。

不过，这些“滑稽字母”毕竟还只是像“普通字母”一样发挥作用，长得也差不多，就像写T时出个头，写G时在竖笔上加道短横，离科学家梦寐以求的全新“字母”还差得很远。

近些年，还有不少关于基因新“字母”的报道。有的确实是人工合成的新碱基，但和原有的语言系统不兼容，压根儿不能复制，毫无作用。有的则是生物体内天然存在的，从“普通”碱基修饰而来，类似“滑稽字母”，从严格意义上讲，都不是真正的“新碱基”。

这怎么能让科学家们满足呢？美国斯克利普斯研究所的化学家弗洛伊德·罗姆斯伯格暗自立下目标：一定要制造能在原有系统中发挥作用的、全新的碱基。“如果英语只有四个字母，也许你有三个辅音和一个元音，也许可以写几个词，用它讲几个粗糙的故事。但如果多几个字母，你就能写更多东西，储存更多的信息，就能写更有意思的词，更大的词，更复杂的词，更微妙的词，更好的故事。”他说，“如果我们给生命以使用更多字母的能力，我们对它的理解会深入很多。”

15年的“笨功夫”

罗姆斯伯格一干就是15年。他和同事所用的方法也很简单，就是先根据现有碱基的样子，合成候选的新“字母”，然后再根据各种条件筛选。科学家们合成的300个候选者中，有些是碱基，有些甚至连碱基都不是，只是在结构上相似。

筛选的第一步，是测试这些新“字母”能否在旧系统里发挥作用。具体来说，基因“语言”系统的一个基本功能就是“抄写”——生命的遗传离不开DNA的复制，有专门的蛋白质（DNA聚合酶）负责“抄写”工作。科学家们在大约300个候选者中，筛选出了60种能被DNA聚合酶识别的新“字母”。

筛选的第二步，是要看新“字母”之间能否配对。A与T、C与G的配对是DNA碱基的重要特性，在“抄写”基因时，正是利用了这一点。DNA具有双链结构，“抄写”时把它一分为二，一条上如果有A，另一条上对应的位置必定是T，这样我们就有两条字母不同，但一一对应、表达的意思完全相同的DNA单链。只要再根据配对原则“抄”一遍，就能把两条单链补充为两条完整的DNA。

60个候选者过了第一关，它们彼此之间（包括与自己）能形成3600种可能的配对组合。科学家通过计算机模拟和实际试验，发现被称为d5SICS和dNaM的候选者很有希望，将其命名为X和Y。

更大的挑战在于“体内实验”，如果不能把带有新“字母”的DNA送进现有生物体内，并让其稳定存在，那么这项研究的意义就会大打折扣。科学家先在移植目标大肠杆菌上安插“卧底”——某种微藻蛋白，有了它，新DNA就能畅通无阻地进入大肠杆菌体内。

含有一对新“字母”的DNA顺利进入大肠杆菌后，科学家开始给它们喂含有新“字母”的碱基大餐，当大肠杆菌成长并复制时，新碱基也跟着DNA一起复制。数据显示，新碱基至少复制了24轮，并维持了近一周时间。当新碱基断粮后，大肠杆菌便用天然碱基替代了它们。

这显示新技术具有极高的安全性。即使有细菌逃逸到自然环境中，因为没有新碱基“食物”，所以注定死去或改用天然碱基。

科学家的一小步，人类的一大步

科学家研究新碱基并非只是为了兴趣和对生命的理解，也是为了“悬壶济世”——新药不会从天上掉下来。新碱基的引入可以修饰生物的DNA，再利用这些生物的“肉体”，合成自然界没有而人工方法又不易合成、提纯的药品。

开发新“字母”的斯克利普斯研究所已经成立了一家公司，尝试用这一新技术研发新的抗生素、疫苗和其他产品。不过，距离实际应用还有相当的距离，毕竟DNA复制只是第一步，还要能被“翻译”系统识别，合成蛋白质，这仍是巨大的难题。

新碱基还可能提升DNA计算机的性能。科学家一直希望利用DNA的特殊性质制造DNA储存器或计算机。新增加两个字母，DNA计算机就有望从4进制升格为6进制，存储能力和运算能力将得到空前提升。不过，DNA计算机本身仍是个“传说”，相对于现有计算机而言，可能存在读写速度慢、稳定性差等问题。

虽然上述应用的前景并不明朗，但科学家的新研究仍具有非凡意义，几十亿年未发生什么改变的生命系统出现了新变化，人类由此翻开了进化史的新一页。