近日，天津大學(xué)張雁教授聯(lián)合上海科技大學(xué)趙素文教授、美國(guó)伊利諾伊大學(xué)趙慧敏(音譯)教授等，解析了一種特殊DNA的合成機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)了這種特殊DNA遍布全球，大量能感染細(xì)菌的病毒(這種病毒也稱(chēng)為噬菌體)都含有這種DNA。

這項(xiàng)刊發(fā)在《科學(xué)》上的重大發(fā)現(xiàn)，對(duì)生命起源、物種進(jìn)化、系統(tǒng)生物學(xué)的研究具有重要理論意義。科技日?qǐng)?bào)記者5月15日采訪(fǎng)張雁時(shí)獲悉，該成果將在超級(jí)耐藥菌感染的治療、綠色無(wú)抗生素畜牧飼料和食品保存技術(shù)開(kāi)發(fā)、新型納米材料制備、DNA信息存貯等領(lǐng)域，展開(kāi)廣闊的應(yīng)用前景。

從感染藍(lán)細(xì)菌的噬菌體中發(fā)現(xiàn)特殊DNA

DNA是生命體的主要遺傳物質(zhì)，決定生物的多樣性和特征。生命的遺傳信息存儲(chǔ)在由A、G、C、T這4種堿基組成的DNA序列中。1953年，美國(guó)生物學(xué)家沃森和英國(guó)生物物理學(xué)家克里克解析了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)兩條鏈之間存在特異性的堿基配對(duì)。A和T配對(duì)形成兩個(gè)氫鍵，G和C配對(duì)形成三個(gè)氫鍵。4種堿基互補(bǔ)作用的雙螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)成了生命中心法則的基礎(chǔ)。

目前唯一的例外是，1977年，科學(xué)家在感染藍(lán)細(xì)菌的一株噬菌體中發(fā)現(xiàn)了由Z、G、C、T組成的DNA。這類(lèi)特殊DNA用二氨基嘌呤(Z)完全取代正常的腺嘌呤(A)，與胸腺嘧啶(T)配對(duì)，形成更穩(wěn)定的三個(gè)氫鍵，極大地改變了DNA的物理化學(xué)特征。

44年來(lái)，Z的合成機(jī)制、生物功能和普遍性一直未得到科學(xué)解釋。

地球上廣泛存在含這類(lèi)特殊DNA的噬菌體

近日，科學(xué)家破解了這個(gè)秘密。科研團(tuán)隊(duì)找到了催化這一特殊DNA合成的多個(gè)酶，不僅涉及Z的合成，還包括A的消除。研究人員通過(guò)噬菌體基因組功能注釋和同源序列分析發(fā)現(xiàn)，多個(gè)噬菌體中存在合成Z前體的關(guān)鍵酶PurZ。研究人員在含PurZ的基因簇上發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)特異的金屬依賴(lài)的磷酸水解酶，并發(fā)現(xiàn)它們是消除A的關(guān)鍵酶。

通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)還解析了噬菌體Z基因組復(fù)雜的生物合成途徑。在細(xì)菌與噬菌體億萬(wàn)年的博弈中，細(xì)菌進(jìn)化出了許多防御手段，噬菌體則發(fā)展出更多繞過(guò)細(xì)菌防御的策略，其中最廣泛的就是修飾自己的DNA，用Z完全取代正常的A。

盡管DNA測(cè)序非常普及，但普通DNA測(cè)序手段并不能發(fā)現(xiàn)Z的存在。科研團(tuán)隊(duì)利用酶水解DNA再進(jìn)行組分分析的傳統(tǒng)方法，證實(shí)了地球上廣泛存在含這類(lèi)特殊DNA的噬菌體，藍(lán)細(xì)菌的這株噬菌體并不是唯一的特例。研究人員還用最新一代的納米孔DNA測(cè)序技術(shù)，對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

可在新材料、信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用

“利用發(fā)現(xiàn)的特殊DNA合成機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)低成本量產(chǎn)含Z的DNA，并拓展其在新材料制備、信息存儲(chǔ)等多方面的應(yīng)用。”張雁介紹，“我們發(fā)現(xiàn)了這種特殊DNA的合成機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本量產(chǎn)。比如人們通過(guò)設(shè)計(jì)DNA序列，使其在納米甚至更小的尺度折疊成各種形狀，從而作為新材料具有很好的應(yīng)用前景，這種特殊DNA增加了結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性，可以更快、更高效地折疊出特定3D結(jié)構(gòu)的納米材料。”

而用DNA取代計(jì)算機(jī)二進(jìn)制的圖片、錄像等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，所需空間大幅縮小，據(jù)科學(xué)推算，幾千克的DNA就可以存儲(chǔ)目前人類(lèi)所有的數(shù)據(jù)。新型DNA的Z堿基還可以使DNA信息存儲(chǔ)獲得加密、分類(lèi)等功能。

此外，抗生素濫用引起的超級(jí)耐藥菌是人類(lèi)醫(yī)學(xué)面臨的重大問(wèn)題。抗生素在動(dòng)物飼料以及食品防腐中的濫用也亟須替代。“噬菌體是細(xì)菌的天敵，我們發(fā)現(xiàn)這種特殊DNA不被細(xì)菌的防御機(jī)制識(shí)別。”張雁表示，替代抗生素的噬菌體療法受到廣泛關(guān)注，并且在臨床上已有使用。裝備了這類(lèi)DNA的噬菌體對(duì)細(xì)菌更具殺傷力，作為廣譜性殺菌生物制劑在醫(yī)藥、畜牧養(yǎng)殖、食品防腐等領(lǐng)域的應(yīng)用將具有廣闊前景。

(陳曦 趙暉)