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时空穿越 TA们的DNA“飞”入太空

2019-01-22 10:01来源:科技日报

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  随着长征十一号运载火箭的一声轰鸣,在地球上几近消失的华南虎DNA(脱氧核糖核酸)被存储在特制容器中向太空飞去。与华南虎DNA干粉同行的,还有金丝猴、天行长臂猿、蕙兰、水稻、大豆、三七、蒲公英等动植物的基因样本。

  据报道,此前不久的2018年10月底,科幻作家刘慈欣等人的DNA样本,通过长二丙火箭被运送至太空,期望实现在太空永久保存。DNA保存受哪些因素影响?为什么要进入太空才能永久保存?基因在太空保存万年之后又有什么用?

  水解酶、酸碱度、辐射,DNA有三大怕

  低温、真空是太空在物种保存方面的有利条件。“这都要从DNA的特性说起。”西安交通大学基础医学院特聘研究员、博士生导师张德文解释,从生物化学的角度看,DNA是一个“珠链”状的生物大分子化合物,每颗串在上面的“珠子”是核苷酸,串起的“线”是磷酸。DNA之所以存储了生命的信息,在于核苷酸不同,即组成其的四个碱基A、T、C、G排列顺序不同,这些碱基密码就像文字一样记录可遗传的信息。

  “要想把信息经过千万年的时间也能传下去,记录的密码就不能打散,变成单个字、打乱顺序都不行。”张德文说,在地球上存在一种东西能让DNA的“珠链”断裂,而且几乎无处不在。

  它就是DNA水解酶。DNA分子一碰到它,磷酸二酯键就被切断了,就像链子断裂,珠子会掉一地,能表达信息的顺序也将不复存在。DNA水解酶都是来自生物体,伴随着微生物而在地球上分布广泛,因此常温下DNA只能放置几天。

  除了独特的酶这一生物“天敌”之外,DNA还有化学和物理上的弱点。

  DNA对酸和碱都非常敏感。游离的金属离子会让DNA发生催化反应,最终变性,因此DNA的保存溶液都需要pH恒定或摇摆幅度不大。实验室短期内使用的DNA,需要放置在缓冲溶液中保存,“缓冲”指的就是这种溶液对决定酸碱度的离子能够“包容”,离子多了就吸附,少了自己也可提供离子基团,保持住整个环境中的酸碱度,像一块“海绵”,为DNA“减震”。

  物理方面,太空辐射、紫外线中的高能粒子,能使DNA断裂氧化。这就是为什么紫外线或核辐射会造成基因变异。高温高压环境也会对DNA的稳定性产生影响。

  “所以DNA理想的保存环境是:避开生物,低温;避开光,黑暗;避开水,干燥。”张德文总结。

  保存方式与保存时长密切相关

  西伯利亚冻土层的猛犸象不仅DNA保存完好,部分组织也是完整的。而常温DNA在溶液中保存的话,可能不到几天就会裂解。可见,保存方式与保存时间长度密切相关。

  将DNA在缓冲溶液中保存,4℃可以保质几天。-20℃可以保存几周,这些在普通冰箱就可以实现。现在的实验条件比之前大幅提高,很多实验室都会有-80℃的冰箱,可保存几个月。几年的话,需要离开水环境,即不给水解酶发挥作用的环境,例如DNA干粉在液氮中保存。

  然而超低温冰箱和液氮的存储都将耗费大量能源,有研究一直在摸索常温下的DNA有效保存。有资料显示,乙醇等可以有效减少DNA链的断裂,DNA可在室温下保存两年后仍具有90%的原始螺旋结构。通过固相吸附等技术也可实现在常温下的多年保存,例如经化学处理的纤维素基质可使DNA免受核酸酶、氧化剂以及细菌等的危害,经由该基质保存22年的血液样品也能够在法医遗传学上完成STR(一种名叫“短串联重复序列测定”的亲子鉴定方法)实验。

  除了在温度、溶剂、基质上想办法,科学家还尝试在DNA的形态上发展出存储好方法。与DNA溶液相比,固态的稳定性更加优良,乙醇沉淀、空气干燥、冻干干燥均为DNA干燥方式。干燥处理不仅能降低DNA样品中分子流动性,而且还极大地消除了DNA水解反应。烘干、冷冻冻干机等干燥方式均可以有效减小DNA样品中水分子,但是在干燥过程中所产生的剪切力也会对长链DNA分子造成一定破坏。

  低温冻存仍是目前DNA保存应用最广泛的方法。但是“有冻就有融”,融化取用过程中会对DNA的结构和信息有哪些影响呢?

  国外有学者以小牛胸腺DNA进行研究,发现反复冻融后其双螺旋结构已经发生了改变,相关低温水解的机理显示,DNA样品的冰冻速率以及冻存温度会影响DNA降解。低温水解会促使DNA样品内产生冰内裂缝。有研究表明,糖类物质能够有效减少DNA嵌入在玻璃体时的开裂。

  自然界总是给科学家欣喜。英国牛津大学曾对西伯利亚和新西兰采集的土壤标本进行研究时发现,DNA可以在土壤中保存40万年。他们对土壤样本中发现的古代猛犸和恐鸟的DNA进行分析后证实,DNA自然保存的时间远比人们想象的要长,到目前为止,科学家对早期生物的研究主要还是依赖保留在岩石和土壤中的化石,这一发现启发史前研究者,在化石之外还可以试试DNA。

  在太空期待与外星人“偶遇”

  “进入太空永久保存,在时间概念上是超越人类发展历史的,以上万年为单位,因此才会称为‘永久’。”张德文提醒,这个时间长度甚至比以文字形态,或电子信号形态存储的时间都要久。

  穿越千万年需要哪些保障呢?资料显示,基因样本由中国国家基因库完成采样和稳定化处理。这里提到的稳定化处理,包括溶剂处理、干燥处理等。

  资料显示,装载DNA的容器是拥有知识产权的特别研制的太空基因容器,容器具有隔绝空间辐射等功能,可以实现生物基因的永久在轨保存。搭载该太空基因容器的科学实验微小卫星将记录并回传基因样本在发射过程和轨道保存期间的环境监测数据,以验证地球物种基因样本太空保存的可行性和有效性。样本目前并不考虑取回。

  张德文认为,DNA的应用将寄望于合成生物学的发展。目前,完全的人工合成生物还没实现,但从2002年有报道显示,病毒基因组可以实现化学合成。2010年最简单的单细胞生物体支原体的全基因组DNA合成完毕。2018年8月2日,《自然》在线发表我国科学家覃重军研究团队与合作者首次人工创建了单条染色体的真核细胞的成果,将单细胞真核生物——酿酒酵母天然的16条染色体人工创建为具有完整功能的单条染色体,酵母三分之一基因与人类同源。

  目前的人工合成的遗传物质,需替换到原有细胞中,全新的人造全基因组再发挥作用,开启组装新生命。DNA发挥作用的细胞环境还没有实现人工生产。

  “以后可能有用,前提是合成生物学中人工合成生命相关技术发展成熟。按照现在科技的发展速度也不好说,从合成生物学学科建立到现在还不到20年,已经进展到单细胞真核生物染色体组的合成了,未来可能不断加速。”张德文说。

  关于太空永久保存DNA的再次启用,有着更多的科幻色彩。如果人类灭绝了,或许会被外星人发现,重新再造人类这个物种。未来需要想象。张佳星

[责编:肖春芳]

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