隨著長(zhǎng)征十一號(hào)運(yùn)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(chǔ)在特制容器中向太空飛去。與華南虎DNA干粉同行的，還有金絲猴、天行長(zhǎng)臂猿、蕙蘭、水稻、大豆、三七、蒲公英等動(dòng)植物的基因樣本。

據(jù)報(bào)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(guò)長(zhǎng)二丙火箭被運(yùn)送至太空，期望實(shí)現(xiàn)在太空永久保存。DNA保存受哪些因素影響?為什么要進(jìn)入太空才能永久保存?基因在太空保存萬(wàn)年之后又有什么用?

水解酶、酸堿度、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(shuō)起。”西安交通大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院特聘研究員、博士生導(dǎo)師張德文解釋，從生物化學(xué)的角度看，DNA是一個(gè)“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(chǔ)了生命的信息，在于核苷酸不同，即組成其的四個(gè)堿基A、T、C、G排列順序不同，這些堿基密碼就像文字一樣記錄可遺傳的信息。

“要想把信息經(jīng)過(guò)千萬(wàn)年的時(shí)間也能傳下去，記錄的密碼就不能打散，變成單個(gè)字、打亂順序都不行。”張德文說(shuō)，在地球上存在一種東西能讓DNA的“珠鏈”斷裂，而且?guī)缀鯚o(wú)處不在。

它就是DNA水解酶。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(huì)掉一地，能表達(dá)信息的順序也將不復(fù)存在。DNA水解酶都是來(lái)自生物體，伴隨著微生物而在地球上分布廣泛，因此常溫下DNA只能放置幾天。

除了獨(dú)特的酶這一生物“天敵”之外，DNA還有化學(xué)和物理上的弱點(diǎn)。

DNA對(duì)酸和堿都非常敏感。游離的金屬離子會(huì)讓DNA發(fā)生催化反應(yīng)，最終變性，因此DNA的保存溶液都需要pH恒定或搖擺幅度不大。實(shí)驗(yàn)室短期內(nèi)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(duì)決定酸堿度的離子能夠“包容”，離子多了就吸附，少了自己也可提供離子基團(tuán)，保持住整個(gè)環(huán)境中的酸堿度，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。這就是為什么紫外線或核輻射會(huì)造成基因變異。高溫高壓環(huán)境也會(huì)對(duì)DNA的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

“所以DNA理想的保存環(huán)境是：避開(kāi)生物，低溫;避開(kāi)光，黑暗;避開(kāi)水，干燥。”張德文總結(jié)。

保存方式與保存時(shí)長(zhǎng)密切相關(guān)

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(huì)裂解。可見(jiàn)，保存方式與保存時(shí)間長(zhǎng)度密切相關(guān)。

將DNA在緩沖溶液中保存，4℃可以保質(zhì)幾天。-20℃可以保存幾周，這些在普通冰箱就可以實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)條件比之前大幅提高，很多實(shí)驗(yàn)室都會(huì)有-80℃的冰箱，可保存幾個(gè)月。幾年的話，需要離開(kāi)水環(huán)境，即不給水解酶發(fā)揮作用的環(huán)境，例如DNA干粉在液氮中保存。

然而超低溫冰箱和液氮的存儲(chǔ)都將耗費(fèi)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后仍具有90%的原始螺旋結(jié)構(gòu)。通過(guò)固相吸附等技術(shù)也可實(shí)現(xiàn)在常溫下的多年保存，例如經(jīng)化學(xué)處理的纖維素基質(zhì)可使DNA免受核酸酶、氧化劑以及細(xì)菌等的危害，經(jīng)由該基質(zhì)保存22年的血液樣品也能夠在法醫(yī)遺傳學(xué)上完成STR(一種名叫“短串聯(lián)重復(fù)序列測(cè)定”的親子鑒定方法)實(shí)驗(yàn)。

除了在溫度、溶劑、基質(zhì)上想辦法，科學(xué)家還嘗試在DNA的形態(tài)上發(fā)展出存儲(chǔ)好方法。與DNA溶液相比，固態(tài)的穩(wěn)定性更加優(yōu)良，乙醇沉淀、空氣干燥、凍干干燥均為DNA干燥方式。干燥處理不僅能降低DNA樣品中分子流動(dòng)性，而且還極大地消除了DNA水解反應(yīng)。烘干、冷凍凍干機(jī)等干燥方式均可以有效減小DNA樣品中水分子，但是在干燥過(guò)程中所產(chǎn)生的剪切力也會(huì)對(duì)長(zhǎng)鏈DNA分子造成一定破壞。

低溫凍存仍是目前DNA保存應(yīng)用最廣泛的方法。但是“有凍就有融”，融化取用過(guò)程中會(huì)對(duì)DNA的結(jié)構(gòu)和信息有哪些影響呢?

國(guó)外有學(xué)者以小牛胸腺DNA進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)反復(fù)凍融后其雙螺旋結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了改變，相關(guān)低溫水解的機(jī)理顯示，DNA樣品的冰凍速率以及凍存溫度會(huì)影響DNA降解。低溫水解會(huì)促使DNA樣品內(nèi)產(chǎn)生冰內(nèi)裂縫。有研究表明，糖類物質(zhì)能夠有效減少DNA嵌入在玻璃體時(shí)的開(kāi)裂。

自然界總是給科學(xué)家欣喜。英國(guó)牛津大學(xué)曾對(duì)西伯利亞和新西蘭采集的土壤標(biāo)本進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，DNA可以在土壤中保存40萬(wàn)年。他們對(duì)土壤樣本中發(fā)現(xiàn)的古代猛犸和恐鳥的DNA進(jìn)行分析后證實(shí)，DNA自然保存的時(shí)間遠(yuǎn)比人們想象的要長(zhǎng)，到目前為止，科學(xué)家對(duì)早期生物的研究主要還是依賴保留在巖石和土壤中的化石，這一發(fā)現(xiàn)啟發(fā)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(jìn)入太空永久保存，在時(shí)間概念上是超越人類發(fā)展歷史的，以上萬(wàn)年為單位，因此才會(huì)稱為‘永久’。”張德文提醒，這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度甚至比以文字形態(tài)，或電子信號(hào)形態(tài)存儲(chǔ)的時(shí)間都要久。

穿越千萬(wàn)年需要哪些保障呢?資料顯示，基因樣本由中國(guó)國(guó)家基因庫(kù)完成采樣和穩(wěn)定化處理。這里提到的穩(wěn)定化處理，包括溶劑處理、干燥處理等。

資料顯示，裝載DNA的容器是擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的特別研制的太空基因容器，容器具有隔絕空間輻射等功能，可以實(shí)現(xiàn)生物基因的永久在軌保存。搭載該太空基因容器的科學(xué)實(shí)驗(yàn)微小衛(wèi)星將記錄并回傳基因樣本在發(fā)射過(guò)程和軌道保存期間的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證地球物種基因樣本太空保存的可行性和有效性。樣本目前并不考慮取回。

張德文認(rèn)為，DNA的應(yīng)用將寄望于合成生物學(xué)的發(fā)展。目前，完全的人工合成生物還沒(méi)實(shí)現(xiàn)，但從2002年有報(bào)道顯示，病毒基因組可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)合成。2010年最簡(jiǎn)單的單細(xì)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(fā)表我國(guó)科學(xué)家覃重軍研究團(tuán)隊(duì)與合作者首次人工創(chuàng)建了單條染色體的真核細(xì)胞的成果，將單細(xì)胞真核生物——釀酒酵母天然的16條染色體人工創(chuàng)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(zhì)，需替換到原有細(xì)胞中，全新的人造全基因組再發(fā)揮作用，開(kāi)啟組裝新生命。DNA發(fā)揮作用的細(xì)胞環(huán)境還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)人工生產(chǎn)。

“以后可能有用，前提是合成生物學(xué)中人工合成生命相關(guān)技術(shù)發(fā)展成熟。按照現(xiàn)在科技的發(fā)展速度也不好說(shuō)，從合成生物學(xué)學(xué)科建立到現(xiàn)在還不到20年，已經(jīng)進(jìn)展到單細(xì)胞真核生物染色體組的合成了，未來(lái)可能不斷加速。”張德文說(shuō)。

關(guān)于太空永久保存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(huì)被外星人發(fā)現(xiàn)，重新再造人類這個(gè)物種。未來(lái)需要想象。(張佳星)