DNA改造 : 遺傳基因新密碼

DNA改造 : 遺傳基因新密碼
國立臺灣大學生命科學系范姜文榮編譯/德州大學分子生物科學研究所馬千惠責任編輯

根據美國加州Scripps研究機構2014年5月7日的報導，該機構的科學家已成功將一對非存在於自然界的基因密碼，透過基因工程轉殖至細菌內，該特殊細菌只要能獲得分子結構單元¹的供應，能相當正常地複製非天然DNA鹼基對。

該機構的Floyd E. Romesberg學者表示，地球上多樣的所有生物體DNA都是由兩對的基因鹼基，A-T和C-G編碼形成，不過他所領導的研究團隊成功地在大腸桿菌，再加上第三對、非天然的鹼基對²，這顯示其它的方式也有可能儲存訊息，帶領人類更進一步認識基因生物學的未來發展，未來它可能帶來更多令人興奮的應用，例如新的藥物開發，甚至新型奈米科技。該研究成果刊載於2014年5月7日科學期刊「Nature」線上版。

許多挑戰

圖片來源：flickr@skreck

從1990年代末期，Romesberg和同事就一直研究去找尋一對分子，能作為新的、有功能的基因鹼基對，原則上能編碼合成過去未曾出現的蛋白質或生物體。

這項挑戰並非容易，任何具有功能、新型的一對基因鹼基，必須具有相當於天然的核苷鹼基對A-T 與C-G互相鍵結的親和力。新型基因鹼基對，也要能沿著基因雙股展開鏈上穩定地排列；於DNA複製與轉錄至RNA過程，在天然聚合酶作用下，它們需要能穩定地解開及結合DNA。另外，這些非天然核苷入侵者，也要避免受到DNA修復機制³的攻擊或移除。

雖然面臨這些挑戰，在2008年以前，Romesberg與研究同仁已經朝向目標跨出一大步，當年他們的研究報告已成功找到一些核苷分子對，能像天然基因鹼基對，緊緊地附著在雙股DNA上，並證實在適當酵素存在狀況下，含有非天然鹼基對的DNA也能複製。在2009年，研究人員已能夠找到適當酵素，將此半合成DNA⁴(semi-synthetic DNA) 轉錄變成RNA。

但是這些研究工作僅在簡化的試管內環境進行。Romesberg 實驗室的Denis A. Malyshev，也是該篇新論文的第一作者，認為「這些非天然的鹼基對，在試管內環境下能正常運作，但更大的挑戰是將它們轉殖入至較為複雜的活細胞環境中運作。」

微藻帶來重大突破

研究團隊在最近研究中合成一小環狀DNA，稱作質體，並將它轉殖入常見的大腸桿菌內。此質體DNA除了有天然的A-T與C-G基因鹼基，同時有由d5SICS與dNaM組成的非天然基因鹼基對，其目的是讓大腸桿菌儘可能正常地複製半合成DNA。

最大的障礙可能是讓那些害怕新型生物體被釋放至外界而無法獲得控制的人感到放心，細胞內d5SICS與dNaM的分子結構單元並非天然，因此讓大腸桿菌去複製DNA非天然鹼基對，研究人員必須在細胞浸泡溶液中供應分子結構單元，以便讓核苷三磷酸⁴進入細胞內，因此需要尋找特殊的三磷酸運輸蛋白⁵來負責這項工作。

研究團隊終於發現有一種微藻，其合成的三磷酸運輸蛋白，能夠足以輸送此非天然核苷三磷酸，此發現帶來突破性進展。

研究團隊驚訝地發現，半人工合成的質體能以相當的速度與正確度進行複製，且不會嚴重地阻礙大腸桿菌的成長，也未受到DNA修復機制而失去非天然鹼基對。當研究團隊停止供應非天然核苷三磷酸的組合成分進入細胞內，細胞會使用與細胞複製高關聯性之天然鹼基對，去取代d5SICS與dNaM分子。另外似乎無其它因子從DNA中，去除非天然鹼基對。重要的是，只有啟動鹼基運輸蛋白，新發現的非天然鹼基對才能進入細胞內。無此運輸蛋白、或未供應新型鹼基對分子結構單元，細胞將回復到A,T,C,G，d5SICS與dNaM分子將自基因庫消失。

下一階段的研究工作，將要去證明DNA中新型鹼基對是否能在細胞中轉錄成RNA，RNA是細胞內製造蛋白質的機器。學理上，科學家能藉此得到非天然的新型胺基酸，來合成新型蛋白質，未來希望能提供修飾蛋白以進行醫療治療或診斷、甚至開發奈米材料。該研究成果也對宇宙中，生命可能以不同於地球遺傳密碼方式存在，提供一些支持證據。

關鍵詞

1. 分子結構單元 : molecular building blocks。
2. 非天然的鹼基對 : unnatural base pairs，此指d5SICS與dNaM分子，形成非天然的鹼基對d5SICS–dNaM。
3. DNA修復機制 : DNA repair mechanisms。
4. 核苷三磷酸 : nucleoside triphosphate。
5. 半合成DNA : semi-synthetic DNA。
6. 三磷酸運輸蛋白 : triphosphate transporter。

延伸閱讀

1. 遺傳密碼（Genetic code）http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=9232
2. http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature13314.html
3. http://www.scripps.edu/news/press/2014/20140507romesberg.html
4. http://www.nytimes.com/2014/05/08/business/researchers-report-breakthrough-in-creating-artificial-genetic-code.html?ref=science&_r=1