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10大奇想.改變未來

2013/01/01
為胎兒的基因組定序、商用無人飛機、電子紋身感測器,這些看似遙遠的科學研究,即將進入我們的生活!
科學家與工程師的夢想是提出可以改變世界的創見,然後試著實現這些夢想。Scientific American網羅了10個可望改變世界的科學奇想,包括不需要DNA的另類生命、以油淨水以及血糖發電等。這些研究並非不切實際的奇想,而是可以實踐的科學突破,有些已經獲得證實、有些已經有了雛型,並蓄勢發展成更大的規模。每一個科學奇想都有潛力達成目前認為不可能的任務。

不需要DNA的另類生命
以合成分子為基礎的人造生物,也能繁衍和演化!

撰文/賈布爾(Ferris Jabr)
翻譯/涂可欣

DNA已經過時了!合成生物學家發明了一批稱為異核酸(xeno nucleic acid, XNA)的新分子,不僅擁有去氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)的功能,還有其他特別的才藝。XNA讓科學家能在實驗室裡安全創造不需要DNA也可生存並演化的生命型式。

英國醫學研究委員會分子生物學實驗室的霍利格(Philipp Holliger)解釋:「若沒有儲存和複製遺傳資訊的系統,就不會有生命。但DNA和RNA其實並不特別,至少有六種以上的聚合物也能執行相同功能。地球上的動、植物只使用DNA和RNA,純粹是生命起源時的意外。」

XNA和DNA一樣有著類似旋轉階梯般的構造。DNA含有四種不同的核苷酸鹼基,以字母A、T、C和G表示,鹼基構成了台階的部份;磷酸和糖分子則為兩側的骨幹。30年來,科學家嘗試調整糖分子,來製造可與DNA結合的人造核酸,做為醫學研究工具。

霍利格在合成XNA時,不僅修改DNA的糖分子,甚至用完全不同的分子取代,例如環己烷(cyclohexane)和蘇糖(threose);同樣重要的是,他們還製造了可作用於XNA的酵素,構成了完整的遺傳系統。

酵素讓XNA得以演化,是其他人造核酸做不到的事。在活細胞內,聚合酶會切割、複製並剪接DNA來讀取遺傳資訊,若沒有酵素與DNA的交互作用,DNA就像書架上積滿灰塵的百科全書一樣。霍利格把天然聚合酶改造成可把DNA轉換為XNA、XNA轉換為DNA,建立一套儲存和傳遞遺傳資訊的全新系統,這是演化的基礎。XNA中的去水己糖醇核酸(anhydrohexitol nucleic acid, HNA)能可靠保存遺傳密碼的改變,並能演化出越來越準確的蛋白質結合能力。

一旦霍利格改進了XNA和相關酵素功能,這套分子就可取代活細胞內的DNA和RNA。例如研究人員可抽出簡單細菌的DNA,然後以XNA取代。

或者科學家也可將XNA放入原型細胞(protocell)內,創造出沒有人能預測其演化方向的新生命型態。另外還有合成生物學家,例如凡特(J. Craig Venter),在重寫既有遺傳密碼上有驚人進展。不過目前還沒有人創造出不需依靠任何演化提供的基礎、全由人類發明的真正合成生命。

霍利格強調,我們距離創造以XNA為基礎的生命還很遙遠,但他已看出一個獨特的優勢:這樣的生物如果逃脫到野外,會因為沒有穩定供應的XNA專門酵素而死亡,而XNA自己也無法融入生物的基因組,因為天然酵素不認得它們。我們可設計出不會干擾自然生物的XNA細菌,來分解油漬或將廢水轉為電力。

XNA能與DNA互補且具有獨特的結構,讓科學家能立刻將它們應用於醫學、生物技術和生物學研究上。霍利格想像,我們可將XNA注射到人體,來偵測疾病初期目前科技還偵測不到的細微徵兆。

美國弗羅里達州應用分子演化基金會的研究員班奈(Steven Benner)則把兩個核苷酸鹼基Z和P納入遺傳密碼,由此產生更多種可能的基因排列和蛋白質。班奈說:「我們的目標是用非現有的生物系統來建立一套行為類似生物系統的化學控制系統。我們相信,只要你在紙上畫得出來,就可以做得出來。」

改變未來的更多科學奇想,請見:Scientific American網站:World Changing Ideas 2012
# 關鍵字:編輯推薦醫學
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