接近遗传密码符号扩增的生物合成方法：非自然DNA碱基对的分子设计.docVIP

接近遗传密码符号扩增的生物合成方法： 非自然DNA碱基对的分子设计 1.简介 2010年, Craig Venters 团队报道了一种新兴的含有一个人工合成具有1.08 M 碱基基因组的支原体细菌。1这个成就是化学家和生物学家协作努力通过五年研究出来的结果。初始细胞的生成需要很大的努力，一旦制得人工细胞，他们就会像自然细胞一样增殖。因此，人工设计的细胞可以合理的成本再生，用作合成有用蛋白质和其他材料的生物工厂。现有的生物系统的重复设计是一个合成生物学途径的例子。2 另一合成生物学方法的类型是构建一个新的生物系统，用必威体育精装版的生物组分来建造。在这个方法中，新的人造组分用于开发服务于某个目标，在生物系统中他们与侧边的自然组分一起运作。新的组分由重复的“proof of concept”试验创建。原型组分基于某个概念或者主意设计，并根据物理和生物实验结果进行改进。在这里，我们通过对DNA遗传密码符号扩展的非自然碱基对的创建，描述这种类型的生物合成方法。3-8 2. 非自然碱基对的发展 地球生命遗传信息在DNA序列中有四个不同碱基对编码，腺嘌呤(A),鸟嘌呤(G), 胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。DNA双链分子中，A选择性的与T配对，G与C配对。碱基配对原则是基本的通过复制、转录和翻译的遗传信息流。因此，DNA中引入一个人为创建的碱基对可以增加遗传字母，扩大遗传信息，提供一个新的生物技术能够与特定的新组分结合为核酸和蛋白质(Figure 1)。9此外，最近的利用人工碱基在复制和转录方面的研究已经显示出新的分子相互作用和生物反应机理，仅仅通过自然组分利用生物分子标准进行馋鬼分子观测不出来。而且，人为的提高生物系统遗传密码符号对于化学家来说是一个巨大的挑战。 最重要的问题是，费自然碱基对(X-Y) 作为三分之一的碱基对具有很高的特有的选择性，也就是说，X选择性与Y配对，与此同时, A-T和G-C在生物系统中配对(Figure 2)。在复制中，DNA聚合酶结合底物与模板链之间部分双链DNA片段。随后，5-三磷酸何干(dNTP, substrate)进入DNA聚合酶络合物。当基质在模板中与正确的伙伴配对，然后引物3-羟基基团的氧原子进攻基板三磷酸α 位置。这个结果导致在引物和导入物之间形成磷酸双酯键，并且释放出焦磷酸做为一个离去集团。引物结合正确的基质后，DNA聚合酶滑向模板DNA 链，下一个基质结合发生。复制中自然碱基配对的选择性非常的高。例如，大肠杆菌DNA聚合酶I的克列诺片段,10,000 次结合会出现一次不正确的结合，10也就是说克列诺片段每一次复制的自然碱基对选择性为99.99%。 3. 自然碱基对: A-T和G-C 创建一个非自然碱基对，我们需要了解为什么A-T 和G-C 碱基对按照他们的化学、物理、生物状态在复制中有如此高的选择性。在A-T和G-C 配对中，嘌呤碱基(A or G)与嘧啶碱基(T or C)配对, 两个氢键用于A-T，三个用于G-C (Figure 3)。因此，每一个碱基对糖苷键的距离约为10.7-11.0 ?，并且双螺旋DNA 分子具有规则的人字齿轮结构。氢键在质子予体残基和质子受体原子或残基中间形成。A-T和G-C对之间，氢键模式各不相同，因此，A 与T, G 和C配对总是一种常规的螺旋结构。 然而，最近的研究已经表明, 在复制中氢键的形成没有必要搭配正确的碱基对。 1995年，Eric Kool 和他的同事们设计合成了一个疏水性非自然Z–F对，其中Z和F 的形状分别模仿A 和T(Figure 4)。11-13 对于Z，A 中1- 和3-氮被碳替代，6-氨基被甲基替代。对于F，T中3-氨基被C-H替代，2-和4-酮基由氟原子替代。通常，一个氟原子质子受体的能力低于酮十倍。Kool团队化学方法合成特定位置中含有Z 或F的 DNA 模板 ，以及他们的核苷三磷酸盐(dZTP和dFTP)，作为底物在体外进行复制实验。他们表明，大肠杆菌DNA聚合酶I的克列诺片段在模板中有效的结合了dFTP 和dTTP 成为DNA ，对立与Z 或A，也与dZTP 、dATP 对立与F或T合并。相比之下，dCTP 相对Z 和 dGTP相对F的合并效率较低。因此，疏水性非自然Z-F对在复制中作用，与A-T对兼容，这表明，复制中配对碱基之间形状互补性重要于氢键互补性。14 通过聚合酶来识别，A 和G中的3-氮, C和T中的2-酮作为氢键受体对于小沟是很必要的，在聚合酶中与具体的氨基酸残基相互作用(Figure 3)。15例如，缺失2-酮基的嘧啶类似物基质在PCR中不能够并入DNA ( P olymerase C hain R eaction).16 Kool的Z碱基相对于嘌呤3-氮缺少氢键受体原子，因此，他们新近研发Q 碱基，其位置上