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時空穿越 TA們的DNA“飛”入太空

2019-01-22 10:01來源﹕科技日報

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  隨著長征十一號運載火箭的一聲轟鳴﹐在地球上幾近消失的華南虎DNA(脫氧核糖核酸)被存儲在特製容器中向太空飛去。與華南虎DNA乾粉同行的﹐還有金絲猴﹑天行長臂猿﹑蕙蘭﹑水稻﹑大豆﹑三七﹑蒲公英等動植物的基因樣本。

  據報道﹐此前不久的2018年10月底﹐科幻作家劉慈欣等人的DNA樣本﹐通過長二丙火箭被運送至太空﹐期望實現在太空永久保存。DNA保存受哪些因素影響﹖為什麼要進入太空才能永久保存﹖基因在太空保存萬年之後又有什麼用﹖

  水解脢﹑酸鹼度﹑輻射﹐DNA有三大怕

  低溫﹑真空是太空在物種保存方面的有利條件。“這都要從DNA的特性說起。”西安交通大學基礎醫學院特聘研究員﹑博士生導師張德文解釋﹐從生物化學的角度看﹐DNA是一個“珠鏈”狀的生物大分子化合物﹐每顆串在上面的“珠子”是核苷酸﹐串起的“線”是磷酸。DNA之所以存儲了生命的信息﹐在於核苷酸不同﹐即組成其的四個鹼基A﹑T﹑C﹑G排列順序不同﹐這些鹼基密碼就像文字一樣記錄可遺傳的信息。

  “要想把信息經過千萬年的時間也能傳下去﹐記錄的密碼就不能打散﹐變成單個字﹑打亂順序都不行。”張德文說﹐在地球上存在一種東西能讓DNA的“珠鏈”斷裂﹐而且幾乎無處不在。

  它就是DNA水解脢。DNA分子一碰到它﹐磷酸二酯鍵就被切斷了﹐就像鏈子斷裂﹐珠子會掉一地﹐能表達信息的順序也將不復存在。DNA水解脢都是來自生物體﹐伴隨著微生物而在地球上分佈廣泛﹐因此常溫下DNA祗能放置幾天。

  除了獨特的脢這一生物“天敵”之外﹐DNA還有化學和物理上的弱點。

  DNA對酸和鹼都非常敏感。遊離的金屬離子會讓DNA發生催化反應﹐最終變性﹐因此DNA的保存溶液都需要pH恆定或搖擺幅度不大。實驗室短期內使用的DNA﹐需要放置在緩沖溶液中保存﹐“緩沖”指的就是這種溶液對決定酸鹼度的離子能夠“包容”﹐離子多了就吸附﹐少了自己也可提供離子基團﹐保持住整個環境中的酸鹼度﹐像一塊“海綿”﹐為DNA“減震”。

  物理方面﹐太空輻射﹑紫外線中的高能粒子﹐能使DNA斷裂氧化。這就是為什麼紫外線或核輻射會造成基因變異。高溫高壓環境也會對DNA的穩定性產生影響。

  “所以DNA理想的保存環境是﹕避開生物﹐低溫﹔避開光﹐黑暗﹔避開水﹐乾燥。”張德文總結。

  保存方式與保存時長密切相關

  西伯利亞凍土層的猛犸象不僅DNA保存完好﹐部分組織也是完整的。而常溫DNA在溶液中保存的話﹐可能不到幾天就會裂解。可見﹐保存方式與保存時間長度密切相關。

  將DNA在緩沖溶液中保存﹐4℃可以保質幾天。-20℃可以保存幾周﹐這些在普通冰箱就可以實現。現在的實驗條件比之前大幅提高﹐很多實驗室都會有-80℃的冰箱﹐可保存幾個月。幾年的話﹐需要離開水環境﹐即不給水解脢發揮作用的環境﹐例如DNA乾粉在液氮中保存。

  然而超低溫冰箱和液氮的存儲都將耗費大量能源﹐有研究一直在摸索常溫下的DNA有效保存。有資料顯示﹐乙醇等可以有效減少DNA鏈的斷裂﹐DNA可在室溫下保存兩年後仍具有90%的原始螺旋結構。通過固相吸附等技術也可實現在常溫下的多年保存﹐例如經化學處理的纖維素基質可使DNA免受核酸脢﹑氧化劑以及細菌等的危害﹐經由該基質保存22年的血液樣品也能夠在法醫遺傳學上完成STR(一種名叫“短串聯重復序列測定”的親子鑒定方法)實驗。

  除了在溫度﹑溶劑﹑基質上想辦法﹐科學家還嘗試在DNA的形態上發展出存儲好方法。與DNA溶液相比﹐固態的穩定性更加優良﹐乙醇沉澱﹑空氣乾燥﹑凍干乾燥均為DNA乾燥方式。乾燥處理不僅能降低DNA樣品中分子流動性﹐而且還極大地消除了DNA水解反應。烘乾﹑冷凍凍干機等乾燥方式均可以有效減小DNA樣品中水分子﹐但是在乾燥過程中所產生的剪切力也會對長鏈DNA分子造成一定破壞。

  低溫凍存仍是目前DNA保存應用最廣泛的方法。但是“有凍就有融”﹐融化取用過程中會對DNA的結構和信息有哪些影響呢﹖

  國外有學者以小牛胸腺DNA進行研究﹐發現反復凍融後其雙螺旋結構已經發生了改變﹐相關低溫水解的機理顯示﹐DNA樣品的冰凍速率以及凍存溫度會影響DNA降解。低溫水解會促使DNA樣品內產生冰內裂縫。有研究表明﹐糖類物質能夠有效減少DNA嵌入在玻璃體時的開裂。

  自然界總是給科學家欣喜。英國牛津大學曾對西伯利亞和新西蘭採集的土壤標本進行研究時發現﹐DNA可以在土壤中保存40萬年。他們對土壤樣本中發現的古代猛犸和恐鳥的DNA進行分析後證實﹐DNA自然保存的時間遠比人們想象的要長﹐到目前為止﹐科學家對早期生物的研究主要還是依賴保留在岩石和土壤中的化石﹐這一發現啟發史前研究者﹐在化石之外還可以試試DNA。

  在太空期待與外星人“偶遇”

  “進入太空永久保存﹐在時間概念上是超越人類發展歷史的﹐以上萬年為單位﹐因此才會稱為‘永久’。”張德文提醒﹐這個時間長度甚至比以文字形態﹐或電子信號形態存儲的時間都要久。

  穿越千萬年需要哪些保障呢﹖資料顯示﹐基因樣本由中國國家基因庫完成採樣和穩定化處理。這裡提到的穩定化處理﹐包括溶劑處理﹑乾燥處理等。

  資料顯示﹐裝載DNA的容器是擁有知識產權的特別研製的太空基因容器﹐容器具有隔絕空間輻射等功能﹐可以實現生物基因的永久在軌保存。搭載該太空基因容器的科學實驗微小衛星將記錄並回傳基因樣本在發射過程和軌道保存期間的環境監測數據﹐以驗證地球物種基因樣本太空保存的可行性和有效性。樣本目前並不考慮取回。

  張德文認為﹐DNA的應用將寄望於合成生物學的發展。目前﹐完全的人工合成生物還沒實現﹐但從2002年有報道顯示﹐病毒基因組可以實現化學合成。2010年最簡單的單細胞生物體支原體的全基因組DNA合成完畢。2018年8月2日﹐《自然》在線發表我國科學家覃重軍研究團隊與合作者首次人工創建了單條染色體的真核細胞的成果﹐將單細胞真核生物──釀酒酵母天然的16條染色體人工創建為具有完整功能的單條染色體﹐酵母三分之一基因與人類同源。

  目前的人工合成的遺傳物質﹐需替換到原有細胞中﹐全新的人造全基因組再發揮作用﹐開啟組裝新生命。DNA發揮作用的細胞環境還沒有實現人工生產。

  “以後可能有用﹐前提是合成生物學中人工合成生命相關技術發展成熟。按照現在科技的發展速度也不好說﹐從合成生物學學科建立到現在還不到20年﹐已經進展到單細胞真核生物染色體組的合成了﹐未來可能不斷加速。”張德文說。

  關於太空永久保存DNA的再次啟用﹐有著更多的科幻色彩。如果人類滅絕了﹐或許會被外星人發現﹐重新再造人類這個物種。未來需要想象。張佳星

[責編﹕肖春芳]

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