互动科普

从微小的细菌到海洋巨无霸蓝鲸，从依赖阳光的植物到地下数百米以矿物质为食的内岩生微生物（endoliths），地球上生物物种之多，令人惊叹。但我们知道的所有生命形式在本质上是相同的：都以核酸（即DNA和RNA）及蛋白质为基础，复制或繁殖时通常遵循“中心法则”（central dogma，DNA转录为mRNA，mRNA充当合成蛋白质的模板，最后生成的蛋白质又作为组织中的重要结构分子和酶，在细胞中发挥重要的功能）。

合成与已知生命完全不同的人造生命，一直是科学家们的梦想，因为这样就可以知道，合成新的生命形式到底能否实现，以及哪些组件才是生命体必不可少的（这是人类探索生命本质及生命起源的一部分）。要实现这一目标，科学家就得用一种前所未有的方式，将一些能自我组织、代谢（能源的利用）、生长、复制和进化的分子组合起来。

肽核酸（peptide nucleic acid，PNA）是科学家颇为关注的一种分子，它能像DNA和RNA一样储存信息， “骨架”却类似于蛋白质，比真正核酸的“糖—磷酸骨架”简单、结实。15年前，我们研制PNA时，注重的是它的实际用途，并没有想过利用它来合成前所未有的生命形式。当时，我们想要设计一种药物，能作用于特定基因，抑制或增强它们的活性。从概念上看，这种药物类似于反义药物（antisense compound）——能与特定RNA结合的短链DNA或RNA分子，可干扰疾病相关蛋白的合成。

但PNA的独特性质，赋予了它反义RNA和DNA都不具备的优势：既能与DNA结合又能与RNA结合，且结合能力更强，在充满酶的细胞环境中更稳定。很多研究显示，在分子生物学实验及细胞培养过程中，PNA很适合用于调节基因的表达。科学家已开始在动物实验中使用PNA，希望将它转变成一种可从血液进入人体细胞的药物。

这种奇妙的分子不仅引起医药界的极大兴趣，更促使人们进一步思索地球生命是如何起源的。一些科学家提出，在蛋白质、DNA和RNA出现之前，PNA或一种类似分子可能是早期生命的基础。因此，忙着合成人造生命的科学家们可能不是在创造新的生命形式，而是在重建地球生命最原始的祖先。

识别双链DNA

PNA的故事开始于上世纪90年代初。为了制造比反义RNA作用范围更广的药物，我和同事迈克尔·埃格霍尔姆（Michael Egholm）、罗尔夫·H·博格（Rolf H. Berg）、奥勒·布哈德（Ole Buchardt）想要研制一种小分子，可以识别具有特定碱基序列的双链DNA。这不是一个简单任务，给我们制造麻烦的正是众所周知的DNA双螺旋结构。

胸腺嘧啶（T）、腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）和鸟嘌呤（G）这4种碱基是DNA分子中的信息存储单元[在RNA分子中，胸腺嘧啶则是被分子结构类似的尿嘧啶（U）取代] ，它们通过氢键相连，形成DNA双螺旋中的阶梯。碱基配对遵循“沃森—克里克碱基配对原则”，即C与G配对，A与T配对（两条单链DNA上的碱基恰好可以配对，叫做碱基互补）。如果一种化合物能与具有特定碱基序列的双螺旋DNA结合，从理论上说，它就能与任何具有这段序列的基因发生反应（不管这段序列位于基因的哪条链上）。

如果化合物只是与单链DNA或RNA结合，分子识别任务就相对简单，因为两条序列互补的核酸链通过标准的碱基配对就能相互结合。我们只要知道某个基因的序列（可以从基因库中查询），剩下的工作就很容易完成：合成与基因序列互补的分子。

然而，对于双链DNA，识别任务就没有那么容易了，因为两条链上的碱基已经完成配对，无法再与其他分子通过氢键结合了。不过，细胞中存在很多基因调控蛋白，它们可以识别双链DNA的序列，从而调控基因表达。由此可见，识别双链DNA序列并非无法完成的任务，如果我们能找到具有这种功能的分子，它就可能成为调控基因表达的药物。

基因表达分为两个阶段。首先是转录：一种特殊的酶以双链DNA中一条链为模板，合成相应的单链信使RNA（mRNA）。完成转录后，mRNA将被翻译成蛋白质——完成这一任务的是核糖体（ribosome）。核糖体由RNA和蛋白质构成，它能根据mRNA中的遗传信息，把一堆原材料（氨基酸）组装成蛋白质。反义药物正是通过与mRNA结合来阻碍翻译过程。这些药物通常是一些经过化学修饰的短小RNA 或DNA分子，它们的序列经过专门设计，能识别特定mRNA。反义药物与mRNA的结合会激活某些酶，使它们分解mRNA，或者直接影响mRNA的功能。

在转录阶段，细胞会利用转录因子（一类蛋白质分子）来识别双链DNA中的特定序列，以便调控基因表达。当生物体不需要某类蛋白质时，转录因子会阻断RNA聚合酶（合成mRNA的关键酶），阻止DNA转录成mRNA，从而抑制基因的表达。但在适当的时候，它们又会协助RNA聚合酶与相应的DNA序列结合，启动转录，激活基因表达。

虽然通过转录因子，我们了解到某些蛋白质能从DNA双螺旋外部识别基因序列，但在20世纪90年代，科学家不可能仅依照一段序列，就设计出能识别这段序列的蛋白分子。基因调控蛋白能识别特定DNA序列，不仅因为拥有合适的整体构型，而且分子表面的化学组成也利于它们与DNA大沟中的碱基结合（在 DNA双螺旋表面，存在一大一小两条“沟壑”，基因调控蛋白一般与大沟中的碱基结合）。但是，蛋白质的表面结构取决于氨基酸链的折叠方式，而科学家很难精确模拟这个折叠过程。

后来，一种具有“锌指结构”的蛋白引起了科学家的注意：30个氨基酸包裹着一个锌原子，形成了一个特殊的手指状结构。这种结构中的部分氨基酸能嵌入DNA 的大沟，与其中的碱基结合。研究者已研制出一些人造锌指蛋白，但从目前的状况来看，即便设计一段只与较短DNA序列结合的氨基酸链，也很困难。

1957年的一项发现也为我们提供了思路。当时，任职于美国国家卫生研究院的加里·费尔森菲尔德（Gary Felsenfeld）、亚历山大·里奇（Alexander Rich）和戴维·戴维斯（David Davies）共同研制出一种具有三螺旋结构的分子。在这种分子中，一条核苷酸链能以三碱基配对的方式，与双链核苷酸分子的大沟结合，形成三螺旋结构 （见右图）。因此，在三螺旋结构中的每一个位置，都具有由三个碱基结合成三联体。T与T—A结合（即T—A=T，其中“=”表示三碱基配对），或C与G—C结合（C—G=C）。第三条链必须是同型嘧啶链（homopyrimidine，即整条链的碱基完全由T或C组成）才能形成三螺旋结构，这是因为三碱基配对要求双螺旋链中含有A或G。

1987年，法国巴黎国家自然历史博物馆的克劳德·伊莲（Claude Hélène）和美国加州理工学院的彼得·德尔文（Peter Dervan）分别研究证实，三螺旋结构的确可用于设计能识别、并按三碱基互补原则与双链DNA序列结合的寡聚核苷酸（长度约为15个核苷酸的DNA链）。

入侵DNA

受到三螺旋结构的启发，我们开始合成能与双螺旋DNA结合，且在结构和功能上不受限制的分子。具体来讲，我们想要合成的分子，不仅能与G、A、T、C四种碱基结合，还是中性的。通常情况下，核苷酸的分子骨架含有磷酸基团，在溶液中会带负电，如果在三螺旋的形成过程中，三条链的分子骨架都带负电，就会削弱第三条链与其他两条的结合力。

由于酰胺化合物之间的化学键与氨基酸之间的肽键相同，我们决定以酰胺化合物为基础来设计分子骨架。当时，基于肽键的合成技术已比较成熟，合成高稳定性中性分子并不难。我们设计的PNA分子具有一条类似多肽（即氨基酸链）的分子骨架，基本组成单元比DNA和RNA的“糖—磷酸骨架”简单得多。每一个单元都连有一个标准碱基 （T、A、C和G）或经过修饰、有特殊用途的碱基。在PNA分子中，各碱基之间的间隔距离与DNA和RNA类似，这就使PNA链能与DNA、RNA及其他PNA链形成非常稳定的二聚体结构，链与链之间均通过沃森—克里克碱基配对相连。

出乎意料的是，当我们试图用同嘧啶型PNA与双链DNA结合时，PNA并没有结合到DNA 的大沟处，相反，一条PNA链“侵入”了DNA双螺旋结构，取代了其中一条DNA链的位置。紧接着，第二条PNA链又以三碱基配对的方式结合上来，形成“PNA—DNA=PNA”三聚体。同时，被取代的那条DNA链则在三聚体旁边，形成一种叫做P—环的单链结构（与磷酸盐结合的结构域）。

由于三聚体非常稳定性，P—环又能影响重要的生命过程（基因转录、DNA复制、基因修复），这种侵入式结合能引起多种生物效应，例如P—环结构能启动DNA转录。单链环还可以用来诊断遗传疾病：检验样本中的DNA时，必须先对DNA进行多次复制，而环状结构可以作为一个特殊的酶结合位点。

如果DNA序列和PNA碱基的修饰方式不同，还会出现其他结合方式。其中，二聚体侵入最为有趣。我们制备了两条“假互补”PNA链——它们的碱基是互补的，但经过修饰，不能形成PNA—PNA二聚体，但它们与DNA结合的能力并未被削弱，因此，这些PNA可以侵入双链DNA，形成两个PNA—DNA二聚体。相对于三聚体，二聚体侵入的结合方式并不要求目标DNA具有很长一段嘌呤序列（即AG序列），只要其中含有50%以上的A—T碱基对就可以了。而且随着G、C碱基修饰技术的进步，这个限制还有望进一步放宽。

通过这些结合方式，PNA与RNA或DNA结合的效率，甚至高于天然DNA。因此，具有荧光基团的PNA链就成为一种可用于检测特定基因的标记物。基于PNA的荧光原位杂交技术（fluorescence in situ hybridization，即让带有荧光标记的PNA与细胞或组织中的核酸结合），就能显示特定基因序列在染色体中的位置。

药用前景

很多细胞培养和体外研究都证实，PNA链能以多种方式与DNA结合，抑制或激活特定基因的转录、复制或修复。其他研究还证明，在细胞研究和一些小鼠研究中，PNA链具有反义RNA的功能，它能在蛋白质翻译阶段，干扰目标基因的表达（主要是阻断与RNA相关的生命过程）。相对而言，执行RNA干扰任务的DNA或RNA链，还需要一些酶的协助，才能降解目标RNA，干扰相应基因的表达。 由于PNA是外来物质，不太可能得到酶类的协助——细胞中的酶无法识别外来物质，但也正因为如此， PNA在生物体内表现出异常的稳定性，有更多的时间与互补RNA结合，干扰它们的功能。

某些情况下，干扰RNA相关过程能恢复正常蛋白的表达。2007年，英国牛津大学的马修·伍德（Matthew Wood）及其同事就证实了PNA具有这样的功能。他们将PNA注射到患有营养性肌肉萎缩的小鼠体内后，注射部位附近肌肉中的抗肌萎缩蛋白含量开始升高（抗肌萎缩蛋白的缺乏就是导致肌肉萎缩的原因） 。PNA可以阻止抗肌萎缩蛋白基因中的突变片段转录成RNA，从而消除不良突变，同时又保证足够的蛋白质维持正常功能。

不过，PNA和普通核酸面临一个共同的难题：生物利用率很低。不管是PNA还是RNA或DNA，大部分是亲水大分子，而细胞膜又是由疏水性磷脂膜所构成，所以这些大分子很难进入细胞内部发挥作用。尽管PNA十分稳定，却不会长时间地滞留于动物体内。由于具有亲水性，它们会在一段时间后就会随尿液排出。在小鼠体内，PNA总量的一半会在半小时内被排出。因此，PNA药物何时进入临床应用，取决于化学修饰或制药技术的进步，以提高PNA的生物利用率。总的来说，基因药物研究的主要方向就是解决药物在细胞中的传送问题，科学家们认为，这是取得重大医学突破的最后一道难关。

人造生命

PNA综合了核酸与蛋白质两种分子的特点，既能像DNA一样储存信息，又能像酶蛋白一样作为人造细胞中的催化机器。PNA这种双重特性，激起了很多科学家的兴趣，他们想借此创造人造生命。

从很多方面来讲，科学家对RNA的研究远多于PNA。不少天然或合成的RNA分子都具有催化活性（核酶），相比之下，具有催化活性的PNA分子却还未发现。不过，就像蛋白质和RNA一样，PNA也会折叠成一定的形状（即高级结构），而这正是催化功能的基础。因此，我相信研制出具有催化活性的PNA 分子是迟早的事。

通常，科学家都是以组装一系列分子的方式，来合成人造生命。在这类研究中，最先进的手段就是寻找具有催化能力、能自我合成的RNA分子。从理论上讲，具有催化能力的RNA分子可用PNA或类似分子替代。目前，科学家已经发现了以短小核苷酸链为核心的自我催化复制体系，以及能自我复制的多肽。因此，研制一种类似的能自我复制的PNA体系并非不可能。

在生命体中，尽管基因复制体系占据核心地位，但它只是一个组成部分。生命体的本质是一个化学反应网络，各个化学反应处于一个相对稳定但又非平衡的状态，允许物质的输入和输出（参见《环球科学》2007年第7期《生命的源头》），因此对于人造生命研究的主要挑战，在于如何将自我复制体系整合到其他催化、代谢体系中，并把所有体系都“搬入”一个物理隔间（如脂质囊泡），形成“原始细胞”（protocell）。

美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的斯汀·拉斯姆森（Steen Rasmussen）和阿贡国家实验室的陈辽海（Liaohai Chen）提出了一种基于PNA的简单原始细胞设计方案（见下图）：原始细胞是由表面活性剂分子（具有亲水头的脂质分子）自组装形成的球体，内部含有一些感光分子；PNA的多肽骨架上连有各种碱基，并经过进一步化学修饰，转变成了亲脂性分子，镶嵌在原始细胞表面。当受到光照时，感光分子就会吸收能量，用于制造新的表面活性剂分子；外源单链PNA也会与原始细胞表面的PNA结合，形成双链PNA，并进入细胞内部，重新分开，出现在原始细胞表面。随着内容物越来越多，体积增大，原始细胞变得不稳定，开始自然分裂。不过，这一方案仍处于构思阶段，而且科学家们还得解决一个基本问题：双链PNA很稳定，如何才能让它自然分开，形成两条单链？要创造出与现有生命完全不同的人造生命，科学家们还有很长的路要走。

生命起源

合成生命体的重要目的，是为了更好了解原始生命是怎样形成的。如果从微观角度来看现代生命形式，RNA显然比DNA和蛋白质更原始、更重要，它既能承载生物体的遗传信息，也能执行催化功能。由于RNA分子的这些特性，许多科学家都认为，在DNA/RNA/蛋白质世界出现之前，还存在一个PNA世界。

但科学家不清楚的是，在原始环境下，RNA分子（特别是RNA分子骨架中的核糖）到底是如何产生的。即使RNA分子产生了，但由于它的化学性质极不稳定，也很难在没有任何保护的情况下长时间存在，更无法在最初的生命进化中发挥重要作用。因此，PNA作为“RNA前世界”的生命分子就显得很合理了，因为PNA非常稳定，化学组成也很简单，还能承载遗传信息。

50年前，美国科学家斯坦利·L·米勒（Stanley L. Miller）在模拟原始地球环境的情况下，进行了经典的核酸合成实验，并因该实验而名声大噪。2000年，他又在类似的实验中合成出PNA分子。研究人员还发现，PNA可通过“化学复制”，将它携带的序列信息转移给另一个PNA或RNA分子——这个过程对于“PNA世界”以及其后的过渡性“PNA/RNA世界”是至关重要的。当然，我们也必须承认，仅根据少量观察结果，就断定“RNA前世界”依赖于PNA或类似分子似乎有些勉强。而且，我们的假说想要得到证实，先得找到具有催化活性的PNA。

尽管PNA已发现了15年，但对于这种分子，仍有很多问题需要解决：PNA分子能否具有催化活性？什么样的体系才能够将治疗性PNA导入细胞？在实验室条件下，我们能否制造出以PNA为基础的生命形式？我相信在未来15年内，很多问题都能得到圆满的解答。