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科學教授解析特殊DNA合成機制發現特殊DNA的噬菌體遍布全球

2021-06-10 10:38:27 來源：科技日報

近日，天津大學張雁教授聯合上海科技大學趙素文教授、美國伊利諾伊大學趙慧敏（音譯）教授等，解析了一種特殊DNA的合成機制，并發現了這種特殊DNA遍布全球，大量能感染細菌的病毒（這種病毒也稱為噬菌體）都含有這種DNA。

這項刊發在《科學》上的重大發現，對生命起源、物種進化、系統生物學的研究具有重要理論意義。科技日報記者5月15日采訪張雁時獲悉，該成果將在超級耐藥菌感染的治療、綠色無抗生素畜牧飼料和食品保存技術開發、新型納米材料制備、DNA信息存貯等領域，展開廣闊的應用前景。

從感染藍細菌的噬菌體中發現特殊DNA

DNA是生命體的主要遺傳物質，決定生物的多樣性和特征。生命的遺傳信息存儲在由A、G、C、T這4種堿基組成的DNA序列中。1953年，美國生物學家沃森和英國生物物理學家克里克解析了DNA的雙螺旋結構，發現兩條鏈之間存在特異性的堿基配對。A和T配對形成兩個氫鍵，G和C配對形成三個氫鍵。4種堿基互補作用的雙螺旋結構構成了生命中心法則的基礎。

目前唯一的例外是，1977年，科學家在感染藍細菌的一株噬菌體中發現了由Z、G、C、T組成的DNA。這類特殊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，形成更穩定的三個氫鍵，極大地改變了DNA的物理化學特征。

44年來，Z的合成機制、生物功能和普遍性一直未得到科學解釋。

地球上廣泛存在含這類特殊DNA的噬菌體

近日，科學家破解了這個秘密。科研團隊找到了催化這一特殊DNA合成的多個酶，不僅涉及Z的合成，還包括A的消除。研究人員通過噬菌體基因組功能注釋和同源序列分析發現，多個噬菌體中存在合成Z前體的關鍵酶PurZ。研究人員在含PurZ的基因簇上發現了兩個特異的金屬依賴的磷酸水解酶，并發現它們是消除A的關鍵酶。

通過一系列實驗，研究團隊還解析了噬菌體Z基因組復雜的生物合成途徑。在細菌與噬菌體億萬年的博弈中，細菌進化出了許多防御手段，噬菌體則發展出更多繞過細菌防御的策略，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測序非常普及，但普通DNA測序手段并不能發現Z的存在。科研團隊利用酶水解DNA再進行組分分析的傳統方法，證實了地球上廣泛存在含這類特殊DNA的噬菌體，藍細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測序技術，對研究結果進行了驗證。

可在新材料、信息存儲等領域實現應用

“利用發現的特殊DNA合成機制，可實現低成本量產含Z的DNA，并拓展其在新材料制備、信息存儲等多方面的應用。”張雁介紹，“我們發現了這種特殊DNA的合成機制，能夠實現低成本量產。比如人們通過設計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用前景，這種特殊DNA增加了結構的熱穩定性，可以更快、更高效地折疊出特定3D結構的納米材料。”

而用DNA取代計算機二進制的圖片、錄像等數據存儲，所需空間大幅縮小，據科學推算，幾千克的DNA就可以存儲目前人類所有的數據。新型DNA的Z堿基還可以使DNA信息存儲獲得加密、分類等功能。

此外，抗生素濫用引起的超級耐藥菌是人類醫學面臨的重大問題。抗生素在動物飼料以及食品防腐中的濫用也亟須替代。“噬菌體是細菌的天敵，我們發現這種特殊DNA不被細菌的防御機制識別。”張雁表示，替代抗生素的噬菌體療法受到廣泛關注，并且在臨床上已有使用。裝備了這類DNA的噬菌體對細菌更具殺傷力，作為廣譜性殺菌生物制劑在醫藥、畜牧養殖、食品防腐等領域的應用將具有廣闊前景。

標簽：特殊DNA 合成機制噬菌體藍細菌感染