Steven Benner是美国弗罗里达州盖恩斯维尔应用分子进化基金会的杰出生化学家，致力于遗传分子的重组工程。在他开始该领域研究之初，他认为DNA结构实在不太合理：“这真是一个很愚蠢的结构设计。”
Benner何出此言呢？以DNA的主干结构为例，它包含了许多重复排列的阴性磷酸基，这些带负电荷的磷酸基相互排斥，这样的结构应该会使得两条DNA链很难紧密结合为双链螺旋结构。此外，DNA具有2类碱基对：腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）；鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）。这些碱基对都是通过氢键来实现互相的结合，但氢键结合力比较弱，能轻易被水破坏，而细胞中最不缺的恰恰就是水分。对于这样的结构，Benner不禁感叹道：“你如何能相信你宝贵的遗传信息能通过这些脆弱的氢键传递给你的后代？化学家绝对不会设计这样的结构。”
也许自然界进化出这样的DNA有其充足的理由，但这并未停止Benner和他的同事们试图改造它的步伐。在过去的几十年间，他们经过各种尝试，研发出了一系列类似于A、T、C、G的碱基对字母，能够互相结合和被拷贝。但后续的工作却越加艰难，难题一个接着一个。迄今为止，仅有几对人造的碱基对能被连续地插入到DNA中，但细胞仍然不能完全接受这些外来的化学结构。
那么，这些重组的DNA和RNA结构究竟有何实际应用目的呢？事实上，人造碱基对早已被应用于检测病毒及其他医药领域。研究人员希望能研发出具有更多遗传字母的DNA结构、能储存更多遗传信息的生物体或者创造一种不含有自然碱基对的基因组。通过创造这些生命形式，研究人员能够对遗传分子的局限性有更多的了解，从而判断那些天然的碱基对在生命的构成中究竟是不可或缺的或仅仅是一种可替代的形式。美国斯克利普斯研究所的Gerald Joyce说道：“地球上的生物圈进化出现的这种结构必然有其原因。但理论上而言，必然存在其他途径能同样实现这个结果。”
Benner于20世纪70年代开始致力于寻找天然遗传结构的替代形式。那时候，化学家们已经实现了许多天然物质的人工合成，还在尝试建立具有天然酶或抗体功能的化学结构，但DNA结构却无人问津。1986年，Benner在瑞士苏黎世建立实验室，开始了重建DNA结构主干的研究。Benner很快意识到，DNA的这种看起来似乎有缺陷的结构也许反而是其不可或缺的特色之一。当他和同事们利用中性化学结构取代DNA主干中的负电荷磷酸基以后，他们发现这种化学链条结构在负载了超过十几个化学结构后就会自动折叠，因此，Benner推测天然DNA的互斥电荷结构也许是为了维持分子链条的延伸状态。
此外，DNA结构比预计的更易被修改。Benner检测了2类新型碱基对的有效性：异构胞嘧啶（iso-C）和异构鸟嘌呤（iso-G）；κ和黄嘌呤（xanthosine）。结果发现，负责复制DNA和转录为RNA的聚合酶能够读取含有上述碱基对的DNA链，并将这些互补序列段插入到正在不断读写的DNA或RNA链中。核糖体同样也能读取含有小段异构胞嘧啶的RNA序列，从而采用非天然的氨基酸来组建蛋白质。对于这样的结果，Benner感叹道：“位于遗传中心的碱基对却是DNA分子中最易被修改的部分。”然而，Benner等仍面临着其他的难题。例如，因为氢原子容易移动，异构鸟嘌呤经常会发生变形，结果与胸腺嘧啶（T）而非异构胞嘧啶配对。
非天然结合键
美国斯坦福大学的化学家Eric Kool希望能创建一种具有稳定氢键的人造碱基。他们研发了一种类似于T的碱基，但该碱基在氧原子的位置上含有氟，他们称之为二氟甲苯（difluorotoluene，F），能够准确模拟T的形状，但能防止氢原子移动。
研究人员随后发现，F在氢键结合方面的表现非常糟糕，但出乎意料的是聚合酶仍然能将F当做T来读取——在DNA复制中，聚合酶将腺嘌呤（A）与F配对，反之亦然。该研究表明，只要碱基的结构是正确的，聚合酶就能进行读取。
这样的研究结论遭到了各方的质疑。不少研究人员惊叹道：“你如何能告诉我氢键对于DNA而言是可有可无的？它可是双链结构的中心！”氢键被认为是不可替代的组成，而Kool等却大胆挑战了这种“信仰”。他们利用F和其他碱基设计了一种疏水DNA链。水排斥这些化学结构，促使它们在双链结构中更加稳定。
而斯克利普斯研究所的另一位化学家Floyd Romesberg正与同事们致力于探索这种疏水DNA主干结构的特性。利用苯和萘，该研究团队设计了所有能想象得到的衍生物。这使得他们所设计的化学结构与天然DNA碱基对相去甚远。研究人员在测试这些碱基对在DNA复制过程中的功效时发现了两种矛盾的特性：碱基的某个关键位点必须是疏水性的，以便酶能将该碱基插入DNA中，但为了酶能够继续复制DNA链，该碱基还必须能够接受氢键。
目前，Romesberg的研究团队已经筛选了60个碱基的3600种组合，希望找到最具效率和精确度的配对方式。结果发现，MMO2和SICS在关键位点处于亲水和疏水的临界点。
#p#副标题#e#
人造聚合酶
日本横滨的理化学研究所和结构生物学中心的Ichiro Hirao在小时候初次阅读James Watson的《双链DNA》这本著作时就有了创造人造碱基对的想法。目前，Hirao和他的同事们已经能够通过两种方式来降低碱基对的错误配对：一，设计出符合天然碱基对形状的化学结构；二，通过增加负电荷或富含电子的化学结构来排斥天然碱基对的互补碱基。2011年，Hirao的团队报道称，含有非天然疏水性碱基对（Ds和Diol1-Px）的DNA链每次复制的精确性高达99.77%～99.92%。同一年，Benner及其同事也报道指出，另一对称为P和Z的人造碱基对具有高达99.8%的复制精确性。而随后，Romesberg的团队也报道，他们所创造的碱基对NaM和5SICS的复制精确性为99.66%～99.99%。他们研究中的最佳记录已经接近了天然DNA复制所具有的最低准确度水平。
显然，人造碱基对的研究仍有很长的路要走。目前在同一条链中，聚合酶仅能复制最多4个碱基对。聚合酶是这一领域“难啃的骨头”，唯一的解决方法可能就是人工重组聚合酶。
剑桥大学的Philipp Holliger及其同事利用一个称为XNA的核酸来实现聚合酶的人工合成。该结构与DNA和RNA的差别在于，DNA和RNA中的糖被一种环形结构所替代。该研究团队合成了上亿种变异的聚合酶，并通过自然选择，使得DNA转变为XNA。随后，研究者找到了最佳的变异聚合酶。该聚合酶有着类似“手”的形状，而其“大拇指”位置则是需要发生转变的关键位点。该位点作为聚合酶的出口与DNA相联系，而且可能是确保合成正确性的最后检查点。此外，该研究团队还另外合成了一种聚合酶能够将XNA转变为DNA。
理想与现实
研究人员希望这些被合成的DNA能够有效传递信息。目前大部分这方面的研究都停留于体外试验，体内试验的最新进展是由Philippe Marlière团队所取得的。他们将DNA中的T（胸腺嘧啶）都替换为氯尿嘧啶，并设计了一套自动的系统能够将该DNA引入至一种无法产生胸腺嘧啶的大肠杆菌中。5个月之后，研究者发现大部分的大肠杆菌都依赖于氯尿嘧啶存活，而且其基因组中大约90%的胸腺嘧啶都消失了。
Benner、Romesberg和Hirao同样也在试图“诱骗”细胞接受他们所设计的碱基对。然而，即使细胞能接受这些碱基对，或许也无法有效执行任务，例如进行重组——这类需要许多遗传成分协同重建的复杂过程。因此，研究仅仅是开始，后面的路还很长。
研究人员究竟能走多远，仍是未知数。Marlière希望能够将4个天然碱基对都替换为人造的。但Romesberg认为这几乎不可能，因为细胞内的成分都已经习惯于天然碱基对的“工作”方式。Benner也认为创建一种同时含有人造主干和人造碱基对的有机体是件难以实现的事情。
虽然人造碱基对还无法在细胞中发挥实质作用，它们仍具有其他的应用价值。位于美国的西门子医疗诊断公司和路明克斯公司早已经开始利用Benner的iso-C和iso-G碱基对来改进对病毒感染的检测和监控技术。例如，西门子公司利用一系列相连的DNA序列来绑定患者血样中的HIV-1 RNA。通过插入非天然碱基对能够防止DNA序列的非特异性结合，使得HIV-1 RNA更易被检测到。
DNA和RNA分子还具有催化作用，因此能被用作药物。研发人员能够通过将化学结构附着到碱基对来改善序列的“工作表现”，而人造碱基则有助于特定序列位点的定位，而不再需要对每个C或G进行筛查。Romesberg的团队还给DNA中的人造碱基对添加了一种“连接器”的化学结构，能够精确地附着许多不同的分子。他们目前正在试图改造DNA序列，使其比天然序列具有更高效的催化作用。
Hirao表示，他的团队已经创造了一种含有Ds碱基对的DNA序列，该序列与干扰素-γ和血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的结合力优于天然序列。
除了上述实际应用，科学家们仍未放弃他们的“科学幻想”——创造或改进生命体。地球上的生命体产生之初，可能由于当时有限的化学成分，仅仅形成了少数几个DNA字母。例如腺嘌呤就能轻易地从氰化氢中获得。很可能正巧当时氰化氢就存在于地球上。而一旦这一套生命遗传体系形成，几亿年来就固定下来而从未该变过。同理，Benner提出，RNA也许并非是维持生命延续的最佳工具，当然也许在远古时代，它是最佳选择。
若核苷酸产生于另一个独立的星球，它是否会具有相同的碱基对组成呢？Benner认为除非外部条件一模一样，否则答案绝对是否定的。但一些普遍的规律也许仍然适用。例如，含有主干上那些重复出现的互斥电荷，这种结构能防止遗传序列折叠。
上述种种困难都无法阻止科学家对DNA结构的探索。解开生命之谜的唯一办法就是不断实践探索。（作者：沈颖、白蕊）
参考文献：《Nature》2012;491:516-518