探索“外星人”遗传字母表的分子组成

近期，一项由美国国家航空航天局（NASA）资助的项目，探索了可能承载“外星人”遗传信息的遗传字母系统，相关研究已发表在顶尖期刊Science 上。

DNA是一种复杂的生物大分子，是包括人类在内的地球生命的遗传信息载体。DNA包括四种脱氧核糖核苷酸，即腺嘌呤（adenine，A）、胸腺嘧啶（thymine，T）、胞嘧啶（cytosine，C）和鸟嘌呤（guanine，G），这四种“遗传字母”按照一定的顺序组合就可编码生命体的遗传信息。目前，这是我们所知道的地球上所有生命均符合的一大准则。但是，假设存在地外生命，他们的遗传字母会是以什么样分子构成？

由于人类还没真的找到地外生命，针对这个话题更多的是一种假设与猜想。在很多科幻作品里，外星人大多是丑兮兮的大虫子，或者是长着硕大脑袋和瘦弱四肢的类人形象。硬核一点的假设中，这些外星人要么是和人类一样的碳基生命，要么就是与碳价键性质较为相似的硅基生命，并且会把这两种生命基础完全不同的生命形式假定为宇宙中的死敌（比如刘慈欣的科幻小说《乡村教师》，被改编成风马牛不相及的春节档喜剧片《疯狂的外星人》）。从科学的角度来讲，硅基的遗传物质我们还无法想象与设计，但是对于碳基遗传物质，尤其是除了A、T、C、G以外还有那些形式的核苷酸可能作为遗传字母，正引起化学家与生命科学研究者的兴趣。

根据薛定谔理论，记录遗传字母的单体分子要由特定大小的核苷酸通过可预测的固定配对方式形成，这种规律性对于组成“非周期性晶体（aperiodic crystal）”（可以拼装出多彩生命世界的一种分子模式）以及保持复杂遗传信息的储存与传递是必须的。所以，新设计的碱基对也要符合这一原则。

这种新的分子系统被该论文第一作者Shuichi Hoshika博士、通讯作者Steven A. Benner博士（均来自美国火鸟生物分子科学公司）等研究者命名为“Hachimoji DNA”。在日语中Hachi代表“八”，moji代表“字母”，“Hachimoji DNA”意味着这是一种八字母的DNA系统。这一系统中不仅含有天然的A-T、C-G配对，也包含了人造的Z-P、S-B碱基对，并且它们都通过氢键进行互补配对。此外，Hachimoji DNA还可以被转录为相应的Hachimoji RNA。

新的遗传字母系统的设计是基于Steven A. Benner教授团队前期的一系列研究结果，他们曾将遗传字母从传统的四个拓展到六个，并总结了设计规律。在六字母系统的基础上，此次进一步拓展为八字母。对含有Z-P、S-B的双链DNA（dsDNA）的热力学行为分析结果显示，这些dsDNA分子的热力学性质与天然DNA相似，并可以通过已知的热力学模型进行预测，预测的准确度较好。这意味着，这种人造的八字母双链DNA具有被相关酶系统加工的可能性，进而也就具有参与遗传信息转录、翻译的可能性。

对多种由Hachimoji DNA编码的dsDNA与小鼠白血病病毒逆转录酶复合物的晶体结构显示，该系统组成的DNA具有薛定谔理论所需要的“非周期晶体”性质，具备突变和进化所需要的条件。进一步的，该课题组对野生型的T7 RNA聚合酶进行改造，使之能够识别并转录Hachimoji DNA。通过荧光探针技术，证明了Hachimoji DNA可以被转录为相应的Hachimoji RNA。因此在合适的酶系统存在的前提下，Hachimoji DNA可以作为传递遗传信息的载体。

正如一些科研评述所描述的一样，“如果天然DNA是一部短篇小说，人工合成的DNA将是一部恢弘的长篇”。四种碱基已经为地球生物圈带来了如此复杂的多样性，那么八种碱基能够带来的可能性将令人无法想象。不过，现在依然可以想象的是，由于这些碱基与天然DNA相容性很好，也许可以被用于一些疾病的基因疗法。从化学的角度，也许更多、更具功能性的DNAzyme、适配体（Aptamer），更加复杂高效的化学生物学系统会被研究出来，帮助我们更好的探索自然。

Hachimoji DNA and RNA: A genetic system with eight building blocks

Science, 2019, 363, 884-887, DOI: 10.1126/science.aat0971