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合成生物学新进展:清华大学迈出构造镜像生命体征途的关键一步
金陵 2016-05-17
导语

2016年5月16日,清华大学研究团队合作在Nature Chemistry杂志在线发表了《合成镜像生物分子系统实现遗传信息复制与转录》的论文。该论文首次通过化学合成镜像聚合酶实现了中心法则中DNA的复制与转录这两个关键步骤。

地球上已知所有生物都具有手性均一的特征,它们以不可重叠的镜像形式存在,就像左右手的手套那样。但生命却几乎总是使用其中的一个形式,即构成生命的蛋白质几乎均由L型氨基酸组成,而DNA和RNA均由D型核糖组成。迄今为止还没有证据表明反手性生命系统在进化中曾经出现过。

原则上来说,这些分子的镜面版本应以同样的方式与其普通版本一起工作,但它们或可以抵抗那些在镜像世界里还未进化成熟的常规病毒或酶的攻击。这使镜像生物化学的研究变得有利可图。

图1:合成镜像遗传信息复制与转录系统示意图

2016年5月16日,清华大学生命学院朱听课题组与化学系刘磊课题组合作在Nature Chemistry杂志在线发表了题为 “A synthetic molecular system capable of mirror-image genetic replication and transcription”《合成镜像生物分子系统实现遗传信息复制与转录》的论文。Nature在线新闻同步报道并评述了该研究。该研究团队首次通过化学合成镜像聚合酶构造出了某一蛋白的镜像版本,该蛋白在两个最基本的生命学过程里行使重要功能:参与复制DNA,并将其转录成RNA。

该研究团队国际首次通过化学合成方法构建了基于镜像ASFV pol X聚合酶的遗传信息复制与转录系统。该研究结果表明镜像DNA的复制与转录同样遵循碱基互补配对原则,并具有良好的手性特异性。由该镜像分子系统聚合得到的镜像DNA核酶实现了与天然DNA核酶相同的自剪切功能。该研究有望被用来聚合实用反手性核酸大分子,同时也向实现构建镜像生命系统迈出了重要的一步。

数十年以来研究人员已制备出大量的镜像DNA,所以清华大学的团队可以容易得到他们所需要的足够多的镜像DNA,并用于他们镜面DNA复制的研究。但比较困难的工作是制备与镜像DNA复制过程相配合的镜像酶,即DNA聚合酶,它可能需要使用右旋氨基酸合成得到,但常用的聚合酶有600多个氨基酸,对当前的合成技术来说,该蛋白质太大了。 

所以,清华大学的研究团队转向使用已知的最小的聚合酶:只有174个氨基酸的非洲猪瘟病毒聚合酶X。“可能正因为该聚合酶小,它复制DNA的速度也特别的慢。”朱听说,他领导的团队制备出了该DNA聚合酶的镜像版本,发现像它的天然版本那样,在大约四个小时的时间里,它能将12个核苷酸(DNA结构单元)大小的镜像引物延伸成18个核苷酸的镜像DNA链,并在36小时内将其延伸成56个核苷酸的DNA链。 在同一试管内,把该系统的普通版本和镜像版本混合在一起时,两个版本的DNA复制过程可以互不干扰地独立进行。该镜像聚合酶也可以将镜像DNA转录为镜像RNA,其转录速度同样非常缓慢。 

事实上,接下来朱听和他的同事们希望构建出Dpo4聚合酶的镜像结构。该聚合酶由352个氨基酸组成,其DNA复制效率更高。 此外,清华大学的研究人员在他们的论文中试图去探索为什么生命存在“手性”这回事。这依旧是个神秘的领域:它可能仅仅是偶然,也可能是由自然界中广泛存在的根本的不对称性所引发。

对于该研究成果,同行们给出了积极的评价。朱听博士阶段的导师、2009年诺贝尔生理学或医学奖得主、哈佛医学院的分子生物学家Jack Szostak说,这项工作代表着科学家在制作镜像生命形式的路上迈出了“一小步”。朱听教授在哈佛的同事 George Church认为这项研究成果是了不起的里程碑,他希望有一天能构建出完整的镜像细胞。

文章链接:

Zimou Wang, Weiliang Xu, Lei Liu, Ting F. Zhu, "A synthetic molecular system capable of mirror-image genetic replication and transcription," Nature Chemistry (2016) doi:10.1038/nchem.2517

Nature新闻报道链接:

Mirror-image enzyme copies looking-glass DNA

朱听教授简介:

清华大学生命学院研究员,博士生导师,Email: tzhu@biomed.tsinghua.edu.cn

课题组主页:点击此处进入

研究方向:合成生物学、基因组编辑;非编码RNA及其功能;生命起源、人造生命;新一代高通量DNA测序、宏基因组学

刘磊教授简介:

清华大学化学系教授,博士生导师,Email:lliu@mail.tsinghua.edu.cn

个人主页:点击此处进入

研究方向:蛋白质的化学合成与生物医学应用;金属簇催化剂与有机分子催化转化

(本文信息来源:清华大学网站;由e科网整理编辑)

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作者 金陵

本科生

北京大学

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  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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