科学教授解析特殊DNA合成机制发现特殊DNA的噬菌体遍布全球

2021-06-10 10:38:27 来源：科技日报

近日，天津大学张雁教授联合上海科技大学赵素文教授、美国伊利诺伊大学赵慧敏（音译）教授等，解析了一种特殊DNA的合成机制，并发现了这种特殊DNA遍布全球，大量能感染细菌的病毒（这种病毒也称为噬菌体）都含有这种DNA。

这项刊发在《科学》上的重大发现，对生命起源、物种进化、系统生物学的研究具有重要理论意义。科技日报记者5月15日采访张雁时获悉，该成果将在超级耐药菌感染的治疗、绿色无抗生素畜牧饲料和食品保存技术开发、新型纳米材料制备、DNA信息存贮等领域，展开广阔的应用前景。

从感染蓝细菌的噬菌体中发现特殊DNA

DNA是生命体的主要遗传物质，决定生物的多样性和特征。生命的遗传信息存储在由A、G、C、T这4种碱基组成的DNA序列中。1953年，美国生物学家沃森和英国生物物理学家克里克解析了DNA的双螺旋结构，发现两条链之间存在特异性的碱基配对。A和T配对形成两个氢键，G和C配对形成三个氢键。4种碱基互补作用的双螺旋结构构成了生命中心法则的基础。

目前唯一的例外是，1977年，科学家在感染蓝细菌的一株噬菌体中发现了由Z、G、C、T组成的DNA。这类特殊DNA用二氨基嘌呤(Z)完全取代正常的腺嘌呤（A），与胸腺嘧啶（T）配对，形成更稳定的三个氢键，极大地改变了DNA的物理化学特征。

44年来，Z的合成机制、生物功能和普遍性一直未得到科学解释。

地球上广泛存在含这类特殊DNA的噬菌体

近日，科学家破解了这个秘密。科研团队找到了催化这一特殊DNA合成的多个酶，不仅涉及Z的合成，还包括A的消除。研究人员通过噬菌体基因组功能注释和同源序列分析发现，多个噬菌体中存在合成Z前体的关键酶PurZ。研究人员在含PurZ的基因簇上发现了两个特异的金属依赖的磷酸水解酶，并发现它们是消除A的关键酶。

通过一系列实验，研究团队还解析了噬菌体Z基因组复杂的生物合成途径。在细菌与噬菌体亿万年的博弈中，细菌进化出了许多防御手段，噬菌体则发展出更多绕过细菌防御的策略，其中最广泛的就是修饰自己的DNA，用Z完全取代正常的A。

尽管DNA测序非常普及，但普通DNA测序手段并不能发现Z的存在。科研团队利用酶水解DNA再进行组分分析的传统方法，证实了地球上广泛存在含这类特殊DNA的噬菌体，蓝细菌的这株噬菌体并不是唯一的特例。研究人员还用最新一代的纳米孔DNA测序技术，对研究结果进行了验证。

可在新材料、信息存储等领域实现应用

“利用发现的特殊DNA合成机制，可实现低成本量产含Z的DNA，并拓展其在新材料制备、信息存储等多方面的应用。”张雁介绍，“我们发现了这种特殊DNA的合成机制，能够实现低成本量产。比如人们通过设计DNA序列，使其在纳米甚至更小的尺度折叠成各种形状，从而作为新材料具有很好的应用前景，这种特殊DNA增加了结构的热稳定性，可以更快、更高效地折叠出特定3D结构的纳米材料。”

而用DNA取代计算机二进制的图片、录像等数据存储，所需空间大幅缩小，据科学推算，几千克的DNA就可以存储目前人类所有的数据。新型DNA的Z碱基还可以使DNA信息存储获得加密、分类等功能。

此外，抗生素滥用引起的超级耐药菌是人类医学面临的重大问题。抗生素在动物饲料以及食品防腐中的滥用也亟须替代。“噬菌体是细菌的天敌，我们发现这种特殊DNA不被细菌的防御机制识别。”张雁表示，替代抗生素的噬菌体疗法受到广泛关注，并且在临床上已有使用。装备了这类DNA的噬菌体对细菌更具杀伤力，作为广谱性杀菌生物制剂在医药、畜牧养殖、食品防腐等领域的应用将具有广阔前景。

标签：特殊DNA 合成机制噬菌体蓝细菌感染