编者按
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构成生命的天然核酸和天然蛋白质皆具有手性单一特性：已知的天然核酸皆由D型核糖组成，天然蛋白质几乎皆由L型氨基酸组成。天然DNA经过精心进化以存储遗传信息。与天然DNA信息存储技术相同，镜像DNA信息存储技术主要包括信息的“写入”与“读取”两个过程，需要高保真镜像DNA聚合酶来帮助实现。然而，受限于已有的蛋白质与核酸化学合成技术，分子量在50 kDa以上的大型镜像蛋白质和长度在150 bp以上的长链镜像DNA的有效合成一直未能实现，长期制约着镜像生物学领域的发展及该系统的实际应用。2021年7月29日，清华大学朱听团队在Nature Biotechnology 在线发表题为“Bioorthogonal information storage in L-DNA with a high-fidelity mirror-image Pfu DNA polymerase”的研究论文，该研究化学合成了分子量达90 kDa的大型镜像蛋白质：镜像Pfu DNA聚合酶，利用该高保真镜像聚合酶组装出千碱基长度的长链镜像DNA，并开发了基于镜像DNA的信息存储技术。该研究还利用环境水样进行了生物正交性实验，结果表明携带采样地点信息的镜像DNA在从清华园荷塘采集的水样中存放一年后仍能被有效扩增，且其携带的信息仍能被准确读取；而同样存放条件下的天然DNA则在一天后即被完全降解，造成信息丢失。该研究展示了镜像DNA在复杂自然环境中长时间储存信息的能力及广泛的适用性。
160 多年前，巴斯德在发现分子手性后不久首次提出生物镜像世界的概念，但迄今为止，尚未在自然界/实验室中发现或合成生命的镜像形式。这种镜像生物学系统需要分子生物学中心法则中涉及的酶和底物的手性反转版本。在核酸方面，传统的基于柱的氨基磷酸酯化学已经实现了高效的镜像 (L-) 寡核苷酸合成，DNA 最多约 150 个核苷酸 (nt)，RNA最多可合成约 70 个核苷酸。在蛋白质方面，固相肽合成 (SPPS)和天然化学连接 (NCL)的结合为各种镜像 (D-) 蛋白质的全化学合成提供了有效手段。人类社会高速发展带来的海量信息使传统磁、光介质的信息存储能力受到巨大挑战。DNA因具有信息存储密度高、保存时间长等优点，有望成为新一代信息存储介质。目前，DNA信息存储技术均以天然DNA为介质，而天然DNA极易被自然环境中的微生物及核酸酶降解，不利于在开放环境中长时间稳定存放。与天然DNA手性相反的镜像DNA不仅具有相同的高信息存储密度，还具有独特的生物正交性，不易被微生物及核酸酶降解。与天然DNA信息存储技术相同，镜像DNA信息存储技术主要包括信息的“写入”与“读取”两个过程，需要高保真镜像DNA聚合酶来帮助实现。然而，受限于已有的蛋白质与核酸化学合成技术，分子量在50 kDa以上的大型镜像蛋白质和长度在150 bp以上的长链镜像DNA的有效合成一直未能实现，长期制约着镜像生物学领域的发展及该系统的实际应用。尽管最近开发了新的肽合成方法，例如能够产生多达 164 个氨基酸 (aa)的肽链的自动快速流动肽合成，但化学蛋白质合成仍然仅限于相对较小的蛋白质；大于~400 aa 的蛋白质的合成更难实现，主要是由于肽段的合成和连接效率有限。缺乏合成长镜像核酸和大镜像蛋白质分子的方法，阻碍了先进镜像生物学系统的发展。
镜像DNA信息存储
克服合成长 L-核酸分子瓶颈的一种方法是通过镜像聚合酶进行酶促聚合。最初基于 174-aa 非洲猪瘟病毒聚合酶 X (ASFV pol X)的镜像版本开发了镜像遗传复制和转录系统。随后开发的更有效和热稳定性更高的 352-aa Sulfolobus solfataricus P2 DNA 聚合酶 IV (Dpo4)。。这些早期的镜像聚合酶代表了聚合酶大小和效率之间的妥协，作为小型聚合酶，例如 ASFV pol X 和 Dpo4（错误率分别约为 10^-2 和 10^-4），本质上酶活性和保真度较差，使其不适合长镜像基因的忠实组装、扩增和转录，也不适合实现实用的镜像DNA信息系统。利用大自然提供的最好的、通常更大的酶工具的镜像版本是开发先进的镜像生物学系统的关键，但仍然具有挑战性。在这里，该研究着手化学合成 775-aa、超热稳定、高保真火球菌 (Pfu) DNA 聚合酶的镜像版本，它在已知的天然热稳定 DNA 聚合酶中具有最高的保真度，并且是使用最广泛的一种实验室中的 PCR 酶。由于 Pfu DNA 聚合酶的分子量为 90 kDa，其总化学合成面临重大障碍。因此，该研究引入了新的策略来促进大镜像蛋白的化学合成，包括分裂蛋白设计和系统的异亮氨酸取代，从而成功合成了 90-kDa 高保真镜像 Pfu DNA 聚合酶，使准确组装千碱基大小的镜像基因，并使用 L-DNA 进行生物正交信息存储。此外，研究者还进一步开发了基于镜像DNA的信息隐写技术：将加密信息的密钥写入镜像DNA并混入天然DNA文库，使用天然DNA扩增与测序技术仅能读取天然DNA中的错误密钥，导致解码错误信息；只有使用镜像DNA扩增与测序技术才能读取镜像DNA中的正确密钥并解码加密信息。基于镜像DNA的信息隐写技术可以有效提高DNA所携带信息的保密性，为镜像生物学系统在信息安全领域的应用提供了新的思路。清华大学生命学院、清华-北大生命科学联合中心博士生范楚珧、邓强为该论文共同第一作者，清华大学生命学院朱听教授为通讯作者。该研究获得了国家自然科学基金委、清华-北大生命科学联合中心、腾讯基金会、清华大学结构生物学高精尖创新中心和北京生物结构前沿研究中心的资助。https://www.life.tsinghua.edu.cn/info/1131/3041.htmhttps://www.nature.com/articles/s41587-021-00969-6
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