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近日，天津大學張雁教授聯合上海科技大學趙素文教授、美國伊利諾伊大學Huimin Zhao教授等研究團隊，在生命科學領域取得突破性研究成果：解析了一種特殊DNA的合成機制，并發現了這種特殊DNA遍布全球，大量能感染細菌的病毒（這種病毒也稱為噬菌體）都含有這種DNA。這項重大發現對生命起源、物種進化、系統生物學的研究具有重要理論意義。該成果潛在應用價值廣闊，包括超級耐藥菌感染的治療、綠色無抗生素畜牧飼料和食品保存技術開發、新型納米材料制備、DNA信息存貯等。論文于4月30日在國際頂級學術期刊《科學》刊發，并被作為內封面。天津大學為本項研究成果的第一完成單位。

DNA是生命體的遺傳物質，決定生物的多樣性和特征。生命的遺傳信息存儲在由A、G、C、T四種堿基組成的DNA序列中。DNA四種堿基互補作用的雙螺旋結構1953年由美國科學家沃特森和英國科學家克里克揭示，構成生命中心法則的基礎，二人因此獲得諾貝爾獎。目前唯一的例外是1977年前蘇聯科學家在感染藍細菌的一株噬菌體中發現由Z、G、C、T組成的DNA。這類特殊DNA用二氨基嘌呤(Z)完全取代正常的腺嘌呤（A），與胸腺嘧啶（T）配對，形成更穩定的三個氫鍵，極大地改變了DNA的物理化學特征，然而這類特殊DNA的合成機制及普遍性一直未解。以上研究團隊找到了催化這一特殊DNA合成的多個酶，不僅涉及Z的合成，還包括A的消除。盡管DNA測序非常普及，但由于普通DNA測序手段并不能發現Z的存在，該團隊利用酶水解DNA再進行組分分析的傳統方法，證實了地球上廣泛存在含這類特殊DNA的噬菌體，并用最新一代的納米孔DNA測序技術，對結果進行了進一步驗證。

張雁教授介紹：“我們發現了這種特殊DNA的合成機制，從而能夠實現低成本量產，拓展了DNA在新材料、信息存儲等多方面的可應用性。人們通過設計DNA序列，使其在納米甚至更小的尺度折疊成各種形狀，從而作為新材料具有很好的應用前景，這種特殊DNA增加了結構的熱穩定性，可以更快、更高效地折疊出特定3D結構的納米材料。而用DNA取代計算機二進制的圖片、錄像等數據存儲，所需空間大幅縮小，據科學推算，數公斤的DNA就可以存儲目前人類所有的數據，新型DNA的Z堿基可以使DNA信息存儲獲得加密、分類等功能。抗生素濫用引起的超級耐藥菌是人類醫學面臨的重大問題，替代抗生素的噬菌體療法受到廣泛關注，并且在臨床上已有使用；抗生素在動物飼料以及食品防腐中的濫用也亟需替代。噬菌體是細菌的天敵，我們發現這種特殊DNA不被細菌的防御機制識別，裝備了這類DNA的噬菌體對細菌更具殺傷力，作為廣譜性殺菌生物制劑在醫藥、畜牧養殖、食品防腐等領域的應用具有廣闊前景。”

天津大學藥學院的博士生周彥為論文的第一作者，上海科技大學ihuman研究所的博士生許雪霞以及新加坡科技研究局（A*STAR）的Yifeng Wei博士為共同第一作者。

參考資料

[1] 藥學院張雁教授在頂級學術期刊《科學》上刊發文章揭示第五個堿基及非沃特森-克里克DNA合成機制http://spst.tju.edu.cn/chinese/xydt/xyxw/202104/t20210430_320390.htm#