生物工程学家朱听教授，探讨了非天然的DNA、RNA和酶

如何成为新药并揭示了有关生命起源的线索

尽管自然界的生命看似具有无穷无尽的多样性，但所有形式的生命都依赖于单一手性的生物分子——即L-氨基酸和D-核酸。自然界几乎不使用这些分子的镜像版本，也就是D-氨基酸和L-核酸。清华大学朱听教授希望通过创造镜像DNA以及能够复制、转录和翻译这种非天然DNA的酶系统来填补这个空白。上述镜像系统不但可以为药物设计提供新的方法，而且有助于科学家理解生命的起源。笔者Mark Peplow与朱听教授一起踏上了“镜像之旅”。

 
朱听博士，浙江省金华人，现任清华大学生命科学学院研究员、长聘副教授、博士生导师。2003年毕业于清华大学工程力学系，2005年获得麻省理工学院（MIT）机械工程系硕士学位，2010年获哈佛-麻省理工学院健康科学与技术系生物医学工程博士。

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朱听实验室网站：http://zhulab.life.tsinghua.edu.cn/

您为何要从事镜像生物化学研究？

首先，这项研究在科学上是十分有趣的。镜像生物系统独立于我们所知的生命体系，并且两者的不同源自于生物学最基础的化学特征之一：手性(chirality)。镜像系统不仅仅是生命之树上的一条分枝——它将成为一棵崭新的大树。
 

这对旋转方向不同海螺就互为"手性"

其次，这项工作也有实际应用价值。举个例子，因为人体的分子机器不能识别这些镜像分子，所以镜像DNA、RNA和酶分子能抵抗天然酶系统的降解，很大程度上避免触发免疫反应，这一特性使得镜像分子可能成为有用的药物。一小段镜像DNA或镜像RNA(通常所说的核酸适配体，aptamer)可以折叠成三维结构并与特定的生化靶点结合，目前已有研究将镜像核酸适配体或镜像多肽已开发为治疗疾病的手段。

您实验室正在制造哪些镜像分子？

我们正试图建立分子生物学中心法则的镜像版本——DNA复制并转录成RNA，并被翻译成蛋白质。我们已经完成了前两个步骤，但最困难的步骤是将镜像RNA翻译为镜像蛋白。在自然界中，翻译是由核糖体完成的，核糖体是一种由多种蛋白质和RNA组成的巨大的复合物，因此合成其镜像版本的工作极富挑战性。

合成短的镜像DNA链相对比较简单——只需在已知的化学合成反应中使用镜像版本DNA单体。但是构建和复制较长的镜像DNA链则需要镜像聚合酶来完成，而这些镜像酶合成起来更加困难。

为了构建完整的镜像聚合酶，我们采用一种称为自然化学连接(native chemical ligation)的方法，通过肽链末端的半胱氨酸残基将合成的多段肽链连接成完整的蛋白。此前，我们与清华大学刘磊教授领导的团队合作建立了已知最小的DNA聚合酶的镜像版本，也就是由174个氨基酸残基组成的非洲猪瘟病毒聚合酶X(ASFV pol X)(Nat. Chem. 2016， DOI：10.1038 / nchem.2517)。
 

该酶的效果如何？

它可以复制含有44个核苷酸的镜像DNA链，并且还可以将含有6个核苷酸的镜像DNA序列转录成镜像RNA。这个聚合酶的合成效率相当低，而且热稳定性比较差。因此我们的第二项工作是构建一种被称为Dpo4的更高效的镜像聚合酶，(Cell Disc. 2017，DOI: 10.1038/ celldisc.2017.37)。

Dpo4具有热稳定性，因此可以在聚合酶链式反应(PCR，现代分子生物学中一项至关重要的技术)中反复使用，用来扩增某一镜像DNA序列。 Dpo4也是已知能够进行PCR的最小的聚合酶，从实用的角度来看，它的效率比我们的第一代酶要高得多。
 
但野生型Dpo4的氨基酸序列并不适合自然化学连接。为了解决这个问题，我们对该酶进行突变使其包含更多的半胱氨酸或丙氨酸以利于化学合成，同时保持原有的聚合酶活性。我们通过化学方法合成的Dpo4具有358个D型氨基酸残基，是迄今为止报道过的最大的化学合成蛋白。利用该镜像 Dpo4聚合酶可以扩增能够一段由120个核苷酸组成的镜像DNA链，该段DNA编码核糖体中的一个组分。最近，由Noxxon Pharma公司的Sven Klussmann领导的研究组独立构建了一个不同的镜像Dpo4的突变体版本，同样使用了自然化学连接方法(Nucleic Acids Res.2017，DOI: 10.1093 / nar /gkx079)。
 

接下来您打算怎样探索镜像世界？

下一个目标是完成镜像中心法则中的最后一步：蛋白翻译。为此我们计划构建核糖体的镜像版本。通过将镜像RNA翻译成镜像蛋白，包括翻译出构成镜像核糖体本身的组件，我们可以建立一个完整的镜像自我复制系统。
 
请谈谈您这些研究的实际应用。

我们实验室刚发表了一种镜像DNA测序的简单方法(Cell Chem. Biol. 2018，DOI: 10.1016 / j.chembiol.2018.06.005)。镜像DNA测序有许多应用，例如可用于在地球或其他行星上寻找其它形式的生命，这些生命可能具有不同于地球生命的手性特征，同时镜像DNA测序还可以被用于开发镜像核酸适配体药物。
 
许多研究人员正努力开发用于疾病治疗的镜像核酸适配体和镜像多肽类药物，而目前所用的方法是通过合成生物靶点的镜像版本，并找到与其结合的天然核酸适配体或肽链，然后将整个系统“翻转”得到可以结合天然靶点的镜像核酸适配体或镜像多肽。现在我们希望通过镜像 PCR和镜像 DNA测序建立一种直接筛选镜像核酸适配体的新方法。通过大量合成不同序列的镜像DNA，直接选出与靶点结合的核酸适配体，并对它们进行测序，从而找到具有治疗潜力的镜像核酸适配体。

 
请问您的研究能帮助回答为何生物只使用单一手性分子的问题吗？

我认为构建镜像生物系统并不能直接帮助解释生物学上如何选择使用单一手性分子。事实上，可能会让这个问题更加让人困惑，特别是如果镜像生物也能正常工作——到目前为止看起来确实如此。
 
但镜像系统可以帮助在实验室探索生命起源。例如，被称为核酶的具有催化活性的RNA分子可能是生物起源过程中自我复制系统的基础，而这些核酶的镜像版本不会被自然界中核酸酶的降解，因此我们可以长时间研究它们的进化过程而不必担心核酸酶污染的问题。