如何解读 2019年2月22日《科学》发表的合成生物学新突破「八碱基遗传系统Hachimoji」？
解读2019年2月22日《科学》发表的合成生物学新突破：「八碱基遗传系统Hachimoji」
2019年2月22日，在《科学》杂志上发表的一篇题为“A synthetic genetic system with eight distinct bases”的文章，无疑为合成生物学领域投下了一颗重磅炸弹——八碱基遗传系统Hachimoji（ハチモジ）的横空出世。这绝不仅仅是增加几个DNA字母这么简单，它标志着我们对生命基本编码的理解和改造能力迈出了极具颠覆性的一步。
要理解Hachimoji的意义，我们首先得回顾一下生命最根本的编码方式——DNA。
DNA：生命的基础语言
我们熟知的DNA，由四种碱基组成：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）和鸟嘌呤（G）。它们以特定的顺序排列，就像字母组合成单词一样，构成了生命的遗传信息。A总是与T配对，C总是与G配对，这种 AT，CG 的配对规则是DNA双螺旋结构的基石，也是生命复制和遗传信息传递的关键。DNA中的三联体密码子（三个碱基组成一个单位）可以编码20种不同的氨基酸，而这些氨基酸则是构建蛋白质的“积木”。蛋白质则承载着生命中几乎所有的功能。
Hachimoji的“八碱基”：何止是字母增加？
Hachimoji系统，顾名思义，就是将DNA的碱基数量从四种扩展到了八种。这不是简单地增加了几个A、T、C、G的变种，而是创造出了四种全新的、人工合成的碱基，并赋予它们与天然碱基配对的能力。研究人员通过精巧的化学设计，引入了以下四种非天然碱基：
P（吡咯并吡咯）：它与T配对。
S（吡咯并吡咯）：它与A配对。
Z（吡咯并吡咯）：它与G配对。
B（吡咯并吡咯）：它与C配对。
关键点来了：
1. 新的配对规则： Hachimoji系统并非随意添加碱基，而是巧妙地设计了新的、非天然的配对规则。例如，P与T配对，S与A配对，Z与G配对，B与C配对。这意味着，在Hachimoji DNA双螺旋结构中，除了传统的AT和CG配对，还存在着 PT、SA、ZG、BC 这样的配对形式。这些新的配对对在保持DNA双螺旋的稳定性和可复制性方面至关重要。
2. 化学结构的创新： 这些新碱基并非自然界存在，而是通过化学合成制备。它们的结构经过精心设计，能够与天然碱基或彼此之间形成稳定的氢键，并且在DNA聚合酶的作用下能够被有效识别和复制。这需要对碱基的化学性质、分子识别以及生物大分子的结构动力学有深刻的理解。
3. “不自然”的稳定性和复制： 最令人惊叹的是，这些人工合成的碱基能够被DNA聚合酶（复制DNA的酶）识别并稳定地整合到DNA链中，而且DNA链能够以这些新碱基为模板进行复制，而不会出现过多的错误。这意味着，这个八碱基的DNA系统在保持稳定性和保真性上，展现出了与天然DNA相媲美的能力。
Hachimoji的意义与潜在影响
Hachimoji系统的突破，其意义深远，远超乎想象：
扩充了遗传信息的“字母表”： 想象一下，如果生命只能用四种字母来表达一切，而现在我们可以用八种字母了。这意味着信息的存储容量和表达能力都得到了极大的提升。原本只能编码20种氨基酸的三联体密码子，在八碱基系统中，理论上可以编码更多种氨基酸。这为设计和制造具有全新功能、性能更优越的蛋白质打开了新的大门。
DNA的“新能力”： 拥有更多碱基意味着DNA能够携带更丰富、更复杂的信息。这就像从只能写诗的工具升级到可以写小说、写剧本的工具。科学家们可以利用Hachimoji系统来创造具有新颖功能的DNA分子，例如：
新型抗生素或药物： 通过编码新型氨基酸，可以设计出能够靶向特定病原体或癌细胞，但对人体细胞无害的蛋白质。
生物传感器： 制造能够检测更广泛、更精细信号的生物传感器。
人造生命的基础： 这是最激动人心的前景之一。Hachimoji系统为构建真正意义上的人造生命体奠定了基础。从根本上改变生命的编码方式，创造出与自然界现有生命截然不同的生命形式。
深化对生命本质的理解： Hachimoji的成功，也让我们得以更深入地反思“生命是什么”。如果生命的编码可以被扩展和改造，那么我们对生命起源、演化以及未来发展的理解都将发生根本性的变化。它挑战了我们对“自然”的定义，也拓展了我们对“生命”的想象边界。
合成生物学新纪元的开启： Hachimoji的出现，被誉为合成生物学领域自DNA双螺旋发现以来最重大的突破之一。它不仅仅是一个技术上的进步，更是一种思维方式上的飞跃。它证明了我们可以不仅仅是“读取”和“编辑”生命，更可以“重写”和“创造”生命的编码。
挑战与未来展望
尽管Hachimoji系统取得了惊人的成就，但仍面临诸多挑战：
“第三代”DNA聚合酶： 目前，Hachimoji系统的复制和表达仍然依赖于经过基因工程改造的DNA聚合酶，这些酶能够识别和处理新碱基。要实现更广泛的应用，需要开发出能够普遍识别和高效复制八碱基DNA的天然或半合成酶。
蛋白质合成的延伸： 如何将Hachimoji系统产生的“超额”遗传信息转化为功能性蛋白质，是下一步的关键。这需要开发新的转录和翻译机制，能够识别新的密码子并将其转化为相应的新氨基酸，进而组装成功能性的蛋白质。
生物安全性与伦理考量： 任何一项颠覆性技术都伴随着潜在的风险。大规模应用Hachimoji系统，特别是用于创造人造生命，需要慎重考虑生物安全性和伦理问题，确保技术的负责任发展。
总而言之， Hachimoji八碱基遗传系统的突破，不是简单地对现有DNA做了点小改动，而是向生命的核心编码机制发起了挑战，并取得了令人瞩目的成功。它让我们看到了一个由更多“字母”构建的、更加丰富多彩的生命世界的可能性，为未来的生物技术、医学和我们对生命本身的理解，开启了前所未有的新篇章。这篇文章的发表，标志着合成生物学不再仅仅是“编辑”生命，而是朝着“创造”和“重塑”生命迈出了决定性的一步。
2019年2月22日，在《科学》杂志上发表的一篇题为“A synthetic genetic system with eight distinct bases”的文章，无疑为合成生物学领域投下了一颗重磅炸弹——八碱基遗传系统Hachimoji（ハチモジ）的横空出世。这绝不仅仅是增加几个DNA字母这么简单，它标志着我们对生命基本编码的理解和改造能力迈出了极具颠覆性的一步。
要理解Hachimoji的意义，我们首先得回顾一下生命最根本的编码方式——DNA。
DNA：生命的基础语言
我们熟知的DNA，由四种碱基组成：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）和鸟嘌呤（G）。它们以特定的顺序排列，就像字母组合成单词一样，构成了生命的遗传信息。A总是与T配对，C总是与G配对，这种 AT，CG 的配对规则是DNA双螺旋结构的基石，也是生命复制和遗传信息传递的关键。DNA中的三联体密码子（三个碱基组成一个单位）可以编码20种不同的氨基酸，而这些氨基酸则是构建蛋白质的“积木”。蛋白质则承载着生命中几乎所有的功能。
Hachimoji的“八碱基”：何止是字母增加？
Hachimoji系统，顾名思义，就是将DNA的碱基数量从四种扩展到了八种。这不是简单地增加了几个A、T、C、G的变种，而是创造出了四种全新的、人工合成的碱基，并赋予它们与天然碱基配对的能力。研究人员通过精巧的化学设计，引入了以下四种非天然碱基：
P（吡咯并吡咯）：它与T配对。
S（吡咯并吡咯）：它与A配对。
Z（吡咯并吡咯）：它与G配对。
B（吡咯并吡咯）：它与C配对。
关键点来了：
1. 新的配对规则： Hachimoji系统并非随意添加碱基，而是巧妙地设计了新的、非天然的配对规则。例如，P与T配对，S与A配对，Z与G配对，B与C配对。这意味着，在Hachimoji DNA双螺旋结构中，除了传统的AT和CG配对，还存在着 PT、SA、ZG、BC 这样的配对形式。这些新的配对对在保持DNA双螺旋的稳定性和可复制性方面至关重要。
2. 化学结构的创新： 这些新碱基并非自然界存在，而是通过化学合成制备。它们的结构经过精心设计，能够与天然碱基或彼此之间形成稳定的氢键，并且在DNA聚合酶的作用下能够被有效识别和复制。这需要对碱基的化学性质、分子识别以及生物大分子的结构动力学有深刻的理解。
3. “不自然”的稳定性和复制： 最令人惊叹的是，这些人工合成的碱基能够被DNA聚合酶（复制DNA的酶）识别并稳定地整合到DNA链中，而且DNA链能够以这些新碱基为模板进行复制，而不会出现过多的错误。这意味着，这个八碱基的DNA系统在保持稳定性和保真性上，展现出了与天然DNA相媲美的能力。
Hachimoji的意义与潜在影响
Hachimoji系统的突破，其意义深远，远超乎想象：
扩充了遗传信息的“字母表”： 想象一下，如果生命只能用四种字母来表达一切，而现在我们可以用八种字母了。这意味着信息的存储容量和表达能力都得到了极大的提升。原本只能编码20种氨基酸的三联体密码子，在八碱基系统中，理论上可以编码更多种氨基酸。这为设计和制造具有全新功能、性能更优越的蛋白质打开了新的大门。
DNA的“新能力”： 拥有更多碱基意味着DNA能够携带更丰富、更复杂的信息。这就像从只能写诗的工具升级到可以写小说、写剧本的工具。科学家们可以利用Hachimoji系统来创造具有新颖功能的DNA分子，例如：
新型抗生素或药物： 通过编码新型氨基酸，可以设计出能够靶向特定病原体或癌细胞，但对人体细胞无害的蛋白质。
生物传感器： 制造能够检测更广泛、更精细信号的生物传感器。
人造生命的基础： 这是最激动人心的前景之一。Hachimoji系统为构建真正意义上的人造生命体奠定了基础。从根本上改变生命的编码方式，创造出与自然界现有生命截然不同的生命形式。
深化对生命本质的理解： Hachimoji的成功，也让我们得以更深入地反思“生命是什么”。如果生命的编码可以被扩展和改造，那么我们对生命起源、演化以及未来发展的理解都将发生根本性的变化。它挑战了我们对“自然”的定义，也拓展了我们对“生命”的想象边界。
合成生物学新纪元的开启： Hachimoji的出现，被誉为合成生物学领域自DNA双螺旋发现以来最重大的突破之一。它不仅仅是一个技术上的进步，更是一种思维方式上的飞跃。它证明了我们可以不仅仅是“读取”和“编辑”生命，更可以“重写”和“创造”生命的编码。
挑战与未来展望
尽管Hachimoji系统取得了惊人的成就，但仍面临诸多挑战：
“第三代”DNA聚合酶： 目前，Hachimoji系统的复制和表达仍然依赖于经过基因工程改造的DNA聚合酶，这些酶能够识别和处理新碱基。要实现更广泛的应用，需要开发出能够普遍识别和高效复制八碱基DNA的天然或半合成酶。
蛋白质合成的延伸： 如何将Hachimoji系统产生的“超额”遗传信息转化为功能性蛋白质，是下一步的关键。这需要开发新的转录和翻译机制，能够识别新的密码子并将其转化为相应的新氨基酸，进而组装成功能性的蛋白质。
生物安全性与伦理考量： 任何一项颠覆性技术都伴随着潜在的风险。大规模应用Hachimoji系统，特别是用于创造人造生命，需要慎重考虑生物安全性和伦理问题，确保技术的负责任发展。
总而言之， Hachimoji八碱基遗传系统的突破，不是简单地对现有DNA做了点小改动，而是向生命的核心编码机制发起了挑战，并取得了令人瞩目的成功。它让我们看到了一个由更多“字母”构建的、更加丰富多彩的生命世界的可能性，为未来的生物技术、医学和我们对生命本身的理解，开启了前所未有的新篇章。这篇文章的发表，标志着合成生物学不再仅仅是“编辑”生命，而是朝着“创造”和“重塑”生命迈出了决定性的一步。
网友意见
这次设计的新碱基，与之前一些研究中设计五花八门的、甚至都不靠氢键配对的碱基相比，其自身结构与配对都非常稳定。
目前只能验证这个四对碱基系统是可工作的，进一步评价还要看后续研究回答两个问题：
这个四对碱基系统里，新引入的两对碱基有没有可能像已经有的AUCG一样，通过较为低能的化学路径合成出来。
这样可以评估：天体合成自然出现这两种碱基BSZP的可能性与AUCG的差异，以及生物化学进化过程中自然选择这两种碱基BSZP的可能性与AUCG的差异。
这个四对碱基系统，与两对碱基系统相比，在无蛋白质辅助的情况下通过温度复制，稳定性和错配率有没有明显的差异，到什么程度。
这样可以评估：如果两对核酸与四对核酸系统同时自然的出现，在没有外界因素干预的情况下相互竞争，谁会胜出。
研究过这两个问题，我们才能进一步想像：宇宙某个地方有没有可能有生物正在使用与我们不同的核酸系统。
不过即使最终发现上述答案是否定的，我们仍然可能在实验室环境里利用这套系统制造生物，正如 @孟凡康 老师的答案所说，四对碱基系统可编码的氨基酸远多于两对核酸系统，这可能为大分子药物制药带来定的技术。
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