时空穿越:进入太空永久保存

文章作者:管理一号 | 2019-01-22
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跟着长征十一号运载火箭的一声轰鸣,在地球上几近消失的华南虎DNA(脱氧核糖核酸)被存储在特制容器中向太空飞去。与华南虎DNA干粉同行的,还有金丝猴、天行长臂猿、蕙兰、水稻、大豆、三七、蒲公英等动植物的基因样本。

据报导,此前不久的2018年10月底,科幻作家刘慈欣等人的DNA样本,经过长二丙火箭被运送至太空,希望完结在太空永久保存。DNA保存受哪些因素影响?为什么要进入太空才干永久保存?基因在太空保存万年之后又有什么用?

水解酶、酸碱度、辐射,DNA有三大怕

低温、真空是太空在物种保存方面的有利条件。“这都要从DNA的特性说起。”西安交通大学根底医学院特聘研讨员、博士生导师张德文解说,从生物化学的视点看,DNA是一个“珠链”状的生物大分子化合物,每颗串在上面的“珠子”是核苷酸,串起的“线”是磷酸。DNA之所以存储了生命的信息,在于核苷酸不同,即组成其的四个碱基A、T、C、G摆放次序不同,这些碱基暗码就像文字相同记载可遗传的信息。

“要想把信息经过千万年的时刻也能传下去,记载的暗码就不能打散,变成单个字、打乱次序都不可。”张德文说,在地球上存在一种东西能让DNA的“珠链”开裂,并且简直无处不在。

它就是DNA水解酶。DNA分子一碰到它,磷酸二酯键就被切断了,就像链子开裂,珠子会掉一地,能表达信息的次序也将不复存在。DNA水解酶都是来自生物体,伴跟着微生物而在地球上散布广泛,因而常温下DNA只能放置几天。

除了共同的酶这一生物“天敌”之外,DNA还有化学和物理上的缺点。

DNA对酸和碱都十分灵敏。游离的金属离子会让DNA发作催化反应,终究变性,因而DNA的保存溶液都需求pH安稳或摇晃起伏不大。试验室短期内运用的DNA,需求放置在缓冲溶液中保存,“缓冲”指的就是这种溶液对决议酸碱度的离子能够“容纳”,离子多了就吸附,少了自己也可提供离子基团,坚持住整个环境中的酸碱度,像一块“海绵”,为DNA“减震”。

物理方面,太空辐射、紫外线中的高能粒子,能使DNA开裂氧化。这就是为什么紫外线或核辐射会形成基因变异。高温高压环境也会对DNA的安稳性发生影响。

“所以DNA抱负的保存环境是:避开生物,低温;避开光,漆黑;避开水,枯燥。”张德文总结。

保存办法与保存时长密切相关

西伯利亚冻土层的猛犸象不只DNA保存无缺,部分安排也是完好的。而常温DNA在溶液中保存的话,或许不到几天就会裂解。可见,保存办法与保存时刻长度密切相关。

将DNA在缓冲溶液中保存,4℃能够保质几天。-20℃能够保存几周,这些在一般冰箱就能够完结。现在的试验条件比之前大幅进步,许多试验室都会有-80℃的冰箱,可保存几个月。几年的话,需求脱离水环境,即不给水解酶发挥作用的环境,例如DNA干粉在液氮中保存。

可是超低温冰箱和液氮的存储都将消耗很多动力,有研讨一直在探索常温下的DNA有用保存。有材料显现,乙醇等能够有用削减DNA链的开裂,DNA可在室温下保存两年后仍具有90%的原始螺旋结构。经过固相吸附等技能也可完结在常温下的多年保存,例如经化学处理的纤维素基质可使DNA免受核酸酶、氧化剂以及细菌等的损害,经由该基质保存22年的血液样品也能够在法医遗传学上完结STR(一种名叫“短串联重复序列测定”的亲子判定办法)试验。

除了在温度、溶剂、基质上想办法,科学家还测验在DNA的形状上开展出存储好办法。与DNA溶液比较,固态的安稳性愈加优秀,乙醇沉积、空气枯燥、冻干枯燥均为DNA枯燥办法。枯燥处理不只能下降DNA样品中分子流动性,并且还极大地消除了DNA水解反应。烘干、冷冻冻干机等枯燥办法均能够有用减小DNA样品中水分子,可是在枯燥进程中所发生的剪切力也会对长链DNA分子形成必定损坏。

低温冻存仍是现在DNA保存使用最广泛的办法。可是“有冻就有融”,消融取用进程中会对DNA的结构和信息有哪些影响呢?

国外有学者以小牛胸腺DNA进行研讨,发现重复冻融后其双螺旋结构现已发作了改动,相关低温水解的机理显现,DNA样品的冰冻速率以及冻存温度会影响DNA降解。低温水解会促进DNA样品内发生冰内裂缝。有研讨标明,糖类物质能够有用削减DNA嵌入在玻璃体时的开裂。

天然界总是给科学家欢喜。英国牛津大学曾对西伯利亚和新西兰收集的土壤标本进行研讨时发现,DNA能够在土壤中保存40万年。他们对土壤样本中发现的古代猛犸和恐鸟的DNA进行剖析后证明,DNA天然保存的时刻远比人们幻想的要长,到现在为止,科学家对前期生物的研讨首要仍是依靠保留在岩石和土壤中的化石,这一发现启示史前研讨者,在化石之外还能够试试DNA。

在太空等待与外星人“偶遇”

“进入太空永久保存,在时刻概念上是逾越人类开展前史的,以上万年为单位,因而才会称为‘永久’。”张德文提示,这个时刻长度乃至比以文字形状,或电子信号形状存储的时刻都要久。

穿越千万年需求哪些保证呢?材料显现,基因样本由我国国家基因库完结采样和安稳化处理。这儿说到的安稳化处理,包含溶剂处理、枯燥处理等。

材料显现,装载DNA的容器是具有知识产权的特别研发的太空基因容器,容器具有阻隔空间辐射等功用,能够完结生物基因的永久在轨保存。搭载该太空基因容器的科学试验细小卫星将记载并回传基因样本在发射进程和轨迹保存期间的环境监测数据,以验证地球物种基因样本太空保存的可行性和有用性。样本现在并不考虑取回。

张德文以为,DNA的使用将寄望于组成生物学的开展。现在,彻底的人工组成生物还没完结,但从2002年有报导显现,病毒基因组能够完结化学组成。2010年最简略的单细胞生物体支原体的全基因组DNA组成结束。2018年8月2日,《天然》在线宣布我国科学家覃重军研讨团队与合作者初次人工创立了单条染色体的真核细胞的效果,将单细胞真核生物——酿酒酵母天然的16条染色体人工创立为具有完好功用的单条染色体,酵母三分之一基因与人类同源。

现在的人工组成的遗传物质,需替换到原有细胞中,全新的人工全基因组再发挥作用,敞开拼装新生命。DNA发挥作用的细胞环境还没有完结人工出产。

“今后或许有用,条件是组成生物学中人工组成生命相关技能开展老练。依照现在科技的开展速度也不好说,从组成生物学学科树立到现在还不到20年,现已发展到单细胞真核生物染色体组的组成了,未来或许不断加快。”张德文说。

关于太空永久保存DNA的再次启用,有着更多的科幻颜色。假如人类灭绝了,或许会被外星人发现,从头再造人类这个物种。未来需求幻想。

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