美国科学家第一次创造出一种特殊的人工生命，这种生命的DNA含有自然界中不存在的组成“模块”，通过读取“模块”的存储信息，它可以用自然界中不存在的原材料合成出花样繁多的蛋白质。
“这就好像一个孩子终于进入了一家糖果店。过去二十年间，他一直都在想方设法进入这家店。(现在他终于进来了，)突然之间，他需要好好想想他想要什么样的糖果了。”
这话是美国斯克里普斯研究所的合成生物学家弗洛伊德·罗姆斯伯格(Floyd E. Romesberg)在描述他的研究小组的一项最新研究进展时说的。
从话中不难看出这一研究的难度，另一方面，洋溢出的兴奋之情还能看出这项研究的非凡意义。有媒体和相关领域的权威科学家甚至用“里程碑”来形容这一进展。这种赞誉一点也不过分，因为罗姆斯伯格的团队在世界上第一次创造出了一种特殊的人工生命。
与此前创造出的人工生命不同，这种生命不仅DNA中含有自然界中不存在的组成“模块”，而且还能读取这些“模块”存储的信息，用自然界中不存在的原材料合成出相应的蛋白质。这项研究近日发表在了权威的科学期刊《自然》杂志上，预计在很多领域都会有广阔的应用前景。
从四个“字母”到六个“字母”
除了一部分病毒之外，地球上所有生命的遗传信息都存储在DNA里，一个物种也好，一个个体也罢，它们的所有遗传特征都是由存储在DNA中的这些遗传信息决定的。然而这样一部存储了海量遗传信息的“生命之书”的形式却异常简单，只含有A、T、C、G四种“字母”。
细胞中的DNA由两条“互补”的单链构成，每条单链都由四种“字母”作为“模块”，以“手牵手”的形式构成。所谓“互补”是指一条单链上的每一个“字母”与另一条单链上对应位置上的“字母”按一种一一对应的原则配对，发生相互作用：A和T发生相互作用，或者说互补，C和G互补。正是这种相互作用将两条单链“捆绑”到了一起，形成了双链的DNA。
在DNA存储的遗传信息中，有很大一部分是有关生物体中蛋白质的。而在每一种蛋白质的基因中，这些信息都是以三联体密码的形式存储的：每三个“字母”构成一个密码，每一个密码作为一个氨基酸的“代号”。氨基酸是构成蛋白质的“模块”，也通过“手牵手”的形式形成蛋白质。由于只有四种“字母”，因此生物体只有64种密码(4×4×4)，用来编码二十种生物体使用的所谓“标准氨基酸”(每种氨基酸都有不止一个密码)。
细胞的存活和分裂离不开各种蛋白质，所以细胞时时刻刻都在合成各种各样的蛋白。DNA就像一个“指挥部”，在合成蛋白质的时候，细胞中首先会有“传令兵”来到“指挥部”，把蛋白质的密码信息，也就是“生产指南”“读取并抄写”一份，然后回到蛋白质合成的“工厂”。接着这些“传令兵”会把“生产指南”提供给“工厂”，“工厂”的“工人”们就会参照这个“生产指南”，搬运来相应的氨基酸，“工厂”就可以按“生产指南”上标明的顺序组装出蛋白质。
在罗姆斯伯格实验室的这项新研究中，科研人员向大肠杆菌的DNA中加入了两种人工合成的“字母”X和Y，这两个“字母”彼此互补。在有六个“字母”的情况下，一共就有了216种密码(6×6×6)，这就意味着细胞多出了152个密码，可以用来编码其他信息。如果把这些密码都用来编码氨基酸的话，理论上最多还可以编码152种人工合成的氨基酸(非标准氨基酸)。
实际上这并不是科学家第一次在DNA中添加入人工“字母”。早在1989年，研究人员就成功地在DNA中加入了两种人工“字母”，但那时的实验是在模拟细胞内环境的化学反应溶液中，而不是在细胞内进行的。2014年，罗姆斯伯格自己的实验室有了突破性的进展，他实验室的科学家成功地将两种人工“字母”加入到了大肠杆菌细胞内的DNA中。在提供必要的环境的情况下，这些DNA能够在大肠杆菌中复制，蛋白质合成的“传令兵”甚至也能“读取并抄写”一份“生产指南”出来。
然而所有这些研究都还有一个坎没有跨过：细胞都无法读取出这些通过人工“字母”写入DNA中的信息，并进而合成出蛋白质，而这恰恰是科学家向DNA中加入这些人工“字母”的最终目的。
此前的研究中六“字母”的细胞无法合成出蛋白质主要有两个原因。一个是因为蛋白质合成“工厂”的“工人”是“文盲”，由于“生产指南”中有了新的“字母”，因此它们“读不懂”这份“指南”;另一个原因是这些“工人”过于“专业”了，它们只能搬运那二十种标准氨基酸，当科学家希望使用人工合成的非标准氨基酸时，这些“工人”就无能为力了。
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这项研究的领导者，美国斯克里普斯研究所的合成生物学家弗洛伊德·罗姆斯伯格。(资料图/图)
合成新的蛋白质
在这篇发表在《自然》杂志上的新研究中，罗姆斯伯格的团队终于实现了突破，除了向DNA中添加入了一对新的“字母”之外，他们还成功地让这些大肠杆菌合成出了含有非标准氨基酸的蛋白质。
科学家首先对“工人”进行了改造，让它们也能识别含有新“字母”的密码，每一种“工人”能够识别一种密码。研究人员接着又为这些“工人”找了一类新“帮手”，这些“帮手”能够将非标准氨基酸放到“工人”的“肩上”。每一种“工人”只能搬运一种非标准氨基酸，这种非标准氨基酸与“工人”能够识别的密码形成一种一一对应的关系。
当科学家为细胞提供非标准氨基酸之后，这些“帮手”就能根据“工人”所能识别的密码把对应的非标准氨基酸放到它们的“肩上”，而“工厂”就可以根据“生产指南”上标明的顺序，利用“工人”搬运来的氨基酸(包括那些非标准氨基酸)把蛋白质组装起来。通过一系列的验证试验，罗姆斯伯格的团队证明他们的方法非常有效。
这项研究的成功表明，通过向DNA中添加人工合成的“字母”来存储信息，以及读取和使用这些信息(在这项研究中是用来合成蛋白质)是完全可行的。科学家们就像一个创意丰富的画家，脑子里有很多想法，希望把它们画下来。然而，在此之前，他们的颜料种类非常有限，这束缚了他们的创作。
通过这项研究，在仅仅只向DNA中添加两种“字母”的情况下，科学家们创造出了更多的密码，用于编码各式各样的非标准氨基酸，将它们加入到蛋白质中去。这些非标准氨基酸就像各式各样的新颜料，有了它们，科学家可以更加随心所欲地创造出花样繁多的蛋白质，这意味着这种方法未来可能会有非常广阔的应用前景。
实际上罗姆斯伯格早已看到了这些应用前景，他已经创立了一家名叫Synthorx的公司，致力于通过向DNA中引入人工合成的“字母”来研发药物。据他向媒体介绍，这家公司目前已经成功地将人工合成的“字母”插入到对抗生素产生耐药性的细菌相关基因的关键位点上，使这些细菌变得对青霉素类抗生素异常敏感。除了在医药领域，这类技术未来在防治病虫害、新型蛋白质材料等诸多领域都有可能找到应用。也许在不久的将来，这种技术将会和转基因、基因编辑、干细胞等技术一样，对人类社会产生深远的影响。
