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非傳統生物（Alternative biology）或者稱為另類生物、替代生物是指基於替代現有生物學理論的非傳統生命形式，它還包括地球生命起源理論涉及的可能存在的地球最早的生命體，如RNA生命或鐵硫生命。

非細胞生物[編輯]

非細胞生物（Non-cellular life）是沒有細胞結構存在的生命。這個詞的一般指的是系統進化中科學的分類的病毒這一類生命形式[1]。在討論生命域的分類時，無胞生物(Acytota)也有人稱之為隱生類(Aphanobiota)是偶爾使用的病毒類的分類名稱。相應的有細胞生物的類別是細胞生物(Cytota)。非細胞生物和細胞生物是生命的兩個頂級分類類別，將整個生物界中已知的生命體作為一個整體分類研究。細胞生物(Cytota)包括三個域細菌，古菌與真核生物。

第四域生命（fourth domain of life），大多數的微生物物種很難在實驗室培育成功，如同太空中的暗物質一樣，海水中的一些生物就像生物世界中的暗生物，它們大量存在着，卻很難觀察到。艾森和世界上最出名的私人基因研究所文特爾研究所合作，於2003年開始考察大西洋、太平洋和印度洋中微生物群體的多樣性。採用了宏基因組學進行研究。在一些微生物體內存在兩類基因：RecA 和 RpoB，RecA參與DNA再合成，RpoB參與DNA轉化為RNA的過程。艾森在對海水樣本的研究中發現了這兩類基因的一些片段，其基因序列不同於目前已知的任何一種基因序列。這些基因序列在整個宏基因組分析中十分稀少，所以攜帶該基因的生物數量可能不夠多。與核糖體RNA一樣，這兩種基因由來已久，普遍存在。當追蹤航行中收集到的所有RecA和RpoB基因之間的演變關係時，發現某些部分與公共基因數據庫中已知的基因模式並不一致。部分新的分支和已知的分支非常相似，被認為是已知的未知物。但RecA和RpoB各有一個未知的分支。這些分支都不符合現有已知的生命樹形圖。不能確定這些基因序列的歸屬。可能屬於一種罕見的病毒。也可能屬於某種非病毒微生物，可能是第四域生物。如果不明生物屬於第四域，那些它們很可能是一類比病毒大而比細菌小的生物。假如病毒是第四域生物，那麼新發現的生物很可能就屬於第五域。

核質巨DNA病毒（英語：nucleocytoplasmic large DNA viruses，縮寫NCLDV）是一類大真核DNA病毒。直徑很大的病毒，甚至可以比典型的細菌要大。這類病毒都有共同的DNA功能基因組和獨特的病毒粒子結構。它們的基因組非常大，並且含有許多在其他生命形式中沒有發現的獨特基因。現在還不確定核質巨DNA病毒不同種類之間的相似性是由於利用相同或相似宿主基因進行病毒複製，還是因為一個共同的病毒祖先進化而來，仍需要詳細研究。[2]巨型病毒暗示在生物三域系統外存在過第四域，一種業已消失的細胞微生物，巨型病毒是這一支後裔。

亞病毒因子（Subviral Agents）包括衛星（Satellites，或稱「擬病毒」，Virusoids）、噬病毒體（Virophages）、類病毒（Viroids）、朊毒體（Prions）等不具備完整的複製機構的類似病毒的感染性生物因子。缺損干擾RNA（defective intefering RNA, DI RNA）需要在輔助病毒（helper virus）的協助下才能進行正常的複製，也算是一種亞病毒因子。

影子生物圈[編輯]

影子生物圈(Shadow biosphere)是美國科羅拉多大學的卡羅爾·克萊蘭(Carol Cleland)及雪萊·科普利(Shelley Copley)提出的假說[3] ，指的是存在於地球但不同於已知生物理論的生命形式。它們可能存在的非傳統生物，與已知的生物有着不同的生物化學和分子生物學過程。它們之所以沒被發現，是因為我們探索生物世界用的是傳統的生物化學方法。

美國佛羅里達大學生物化學專業的史蒂芬 A. 本納(Steven A. Benner), 阿隆索 里卡多(Alonso Ricardo), 和馬修 A. 卡里根(Matthew A. Carrigan)指出如果RNA生命曾經存在，那就有可能生存到今天，但它們不含核糖體所以被忽視，這通常用於檢測現在那些已知的生物體[4]。他們建議尋找這些生命應該在低硫的環境中，在空間上有限制（例如小於1微米孔隙的礦物質）的環境，極端冷熱之間循環的環境。

其他影子生物圈可能的建議包括使用不同的生化組分[3]，不同的核酸（鹼基、糖不同），組成蛋白質的氨基酸不同，使用非標準氨基酸，手性相反的氨基酸和糖，或者使用砷而不是磷[5]。

2009年的一個研究給出了一個可能的尋找方案[6]

  • 極端自然環境，或者非標準的生命生存環境
    • 乾燥的沙漠
    • 冰原
    • 深海熱液口和地下深層
    • 高海拔的山頂和高原
    • 高層大氣中的顆粒
    • 高輻射環境
    • 高鹽環境
    • 過高或過低的pH值
    • 金屬和其他有毒物質嚴重污染的地方
    • 嚴重缺乏某些關鍵元素的環境（例如磷，硫）
  • 人工環境
    • 引入特定的針對DNA生命的毒素
    • 剔除所有的磷或其他關鍵元素
    • 高溫（大於150℃）
    • 將水替換為另一種溶劑如氨

RNA世界學說（RNA world hypothesis）是一個理論，認為地球上早期的生命分子以RNA先出現[7]，之後才有蛋白質和DNA[8][9]。且這些早期的RNA分子同時擁有如同DNA的遺傳訊息儲存功能，以及如蛋白質般的催化能力，支持了早期的細胞或前細胞生命的運作。他們有可能存活到現在還沒被發現。

鐵硫世界學說（Iron–sulfur world theory），是由在慕尼黑的有化學學位的專利律師根特·維奇特蕭瑟（Günter Wächtershäuser）從1988年到1992年期間發表一系列文章提出的生命起源和早期進化的假設，他提出早期生命可能在鐵的硫化物礦物質的表面形成。

假定型生物化學[編輯]

假定型生物化學（英語：Hypothetical types of biochemistry）不同於現有的生物化學形式的推測，在科學上是可行的，但現在不能證明實際存在。[10]地球上已確認的生物物種通常使用含碳有機物的基本構造和進行代謝功能，用水作為溶劑，用DNA或RNA引導生物發育與生命機能運作，可能有未被發現的生命形式存在根本不同的基本結構和不同於已知的生物化學形式。

  • 生物分子的替代
    • 構成已知生物的生物分子幾乎全是手性的，如左旋氨基酸、右旋糖等，手性相反的分子具有相同的化學性質，手性完全相反的生命也可以存在。
    • 同天然存在的RNA和DNA結構相似的化合物核酸類似物也可以作為遺傳物質存在，也許有生物就是以核酸類似物保存遺傳信息的。
    • 鹼基對是形成核酸DNA、RNA單體以及編碼遺傳信息的化學結構，RNA和DNA中5種主要核鹼基及4種新發現的核鹼基有可能被其它種類的鹼基取代。
    • 幾乎所有的已知生物都使用相同的遺傳密碼，也有少數生物使用一些稍微不同的遺傳密碼。它編碼了20種標準氨基酸，2種次要編碼氨基酸。遺傳密碼擴展後可以編碼其它的非標準氨基酸，也可能存在大量使用非標準氨基酸的生命。
    • 地球本身可能存在一個影子生物圈具備我們不知道的生物化學形式。
  • 碳、氧的替代
    • 矽替代碳
    • 硼替代碳
    • 鍺、錫和鉛替代碳：都是碳族元素，最外層電子數相同
    • 金屬氧化物替代碳
    • 硫替代氧
  • 其它替代
    • 碳氧化物替代碳氫化合物
    • 氯氣替代氧氣
    • 核酸中砷替代磷
    • 氨基酸中硒、碲替代硫
  • 非水溶劑
    • 氨替代水
    • 甲烷、其它碳氫化合物
    • 氟化氫
    • 簡單的氫化合物：硫化氫，氯化氫
    • 更複雜的化合物：硫酸，甲酰胺，甲醇
    • 非常低溫度的流體：液氮，液氫的超臨界流體的形式
    • 水和過氧化氫的混合物
  • 其他類型的猜測
    • 非綠色光合作用，物理學家們研究指出，在地球上進行光合作用的主要是綠色的植物等物種，也有其他顏色的生物體進行光合作用，對於大多數生活在地球上的生物來說綠色是首選的，在其他星球的生物接受的恆星輻射與地球不同也可能選擇其他顏色。這些研究表明黃色或紅色的植物類生物是合理的，但藍色光合作用的生物是不太可能的。這主要是基於不同類型恆星的光譜亮度，行星的大氣傳輸特性，地球上生物各種光合色素的吸收光譜。黑色是最佳的色彩，可以儘可能高效地轉換所有可用光的能量。目前還不清楚為什麼地球上的植物是綠色的而不是黑色。
    • 不同的大氣層，在地球歷史中大氣中的氣體成分差別很大。大氣中的氣體混合物的變化影響着生物的生物化學形式和形態。
    • 可變環境，地球上的許多生物在其生命周期中進行大規模的生化改變響應不斷變化的環境條件，環境改變將導致不同的生命形態。

異源生物學[編輯]

異源生物學（英語：Xenobiology；簡稱XB）是合成生物學（synthetic biology）的一個分支，是合成和生物操縱生物學器件和系統的研究。異源生物學源於Xenos（希臘語）這個名詞，意思是「陌生人，客人」。因而XB描述的是一種科學對其不熟悉或尚未熟悉、在自然界中也不存在的生物學形式。在實踐中，它描述了新型的生命系統和生物化學，不同於經典的DNA-RNA‐20個氨基酸體系（見分子生物學中的經典中心法則）。例如， XB探索的不是DNA或RNA，而是作為信息載體，定名為異源核酸（XNA）的核酸類似物。 [11] 它還側重於遺傳密碼的擴展 [12] 以及非蛋白氨基酸向蛋白質的摻入。 [13]

  • 異源生物學擁有揭示生物學和生命起源的基本知識的潛力。為了更好地理解生命的起源，就必須知道為什麼生命從一個早期RNA世界向DNA - RNA-蛋白質體系進化及其通用的遺傳密碼 。 [14]它是一次進化的「意外」或是排除了一些其他類型的生物化學形式？通過測試其他的生化「原始湯」 ，它有望更好地理解形成已知生命的原理。
  • 異源生物學是通過發展具有新能力的工業生產體系的方法增強生物聚合物工程和（工程菌的）抗病性。在所有生物中遺傳密碼編碼用於蛋白質生物合成的有20種經典氨基酸。在罕見的情況下，特殊氨基酸如硒代半胱氨酸，吡咯賴氨酸或硒代蛋氨酸可通過翻譯，結合到一些生物體的蛋白質中。 [15]通過使用額外的氨基酸的700多個分子的生化分析，可以看到蛋白質性質被改變，產生了更有效的催化的或材料的功能。例如，歐盟資助的項目METACODE，力圖把代謝衍生物（到目前為止，在活的生物體未知的有用的催化功能）結合入細菌細胞。XB可以提高生產過程的另一個原因，在於能夠降低病毒或噬菌體感染的風險，因為XB細胞將不再是合適的宿主細胞、讓它們變得更有抗性（一個稱為交換遏制的方法）。
  • 異源生物學提供了一個可設計的 「基因防火牆」 ，一種新型的生物防護系統，它可以幫助加強和豐富目前的生物遏制方法的選項。傳統基因工程和生物技術的其中一個關注是向環境的[水平基因轉移]及其可能對人類健康的風險。在XB中的一個主要構思是設計不同的遺傳密碼和生化組成從而使水平基因轉移成為不再可能。此外替代生物化學還將允許新的合成營養缺陷型。這一構思是創建一個正交生物系統，與自然遺傳系統不兼容。 [16]

在異源生物學，其目的是設計和建造，在一個或多個基本水平上與他們的自然同類不同的生物系統。理想的情況是這些對自然界來說是新的生物將在每一個可能的生化方面表現出非常不同的遺傳密碼。長期的目標是構建一個細胞，這個細胞將不用DNA，而用異源核酸（ XNA ）、用不同的鹼基對、非經典的氨基酸和改變的遺傳密碼組成的信息聚合物中儲存其遺傳信息。到目前為止，已經構建的細胞只包含了其中的一兩個特性。

異源生物學的系統旨在設計與自然生物正交的系統。 A類生物（仍是假設的），使用XNA [17] 、不同的鹼基對、及聚合酶並具有改變的遺傳密碼，將很難能夠在基因水平上與自然的生命形式進行互動。因此，這些異源生物學的生物體代表一個基因飛地，不能與自然的細胞進行信息交換。 [18] 改變細胞的遺傳機制導致交換遏制。類似於在IT信息處理，這種安全概念被稱為「遺傳防火牆」。 [19][20]遺傳防火牆的概念似乎克服了許多以前的生物安全系統的局限性。 [21][22] 遺傳防火牆的理論概念的第一個實驗證據是在2013年實現與基因組重新編碼的生物（ GRO）的構建。在這一GRO中，大腸桿菌中所有已知UAG終止密碼子都由UAA密碼子替換，這會允許刪除釋放因子1並允許重新分配UAG的翻譯功能。這個GRO對T7噬菌體的抗性提高從而顯示出改變的遺傳密碼能夠減少遺傳兼容性。 [23] 但是，這種GRO仍然是與其自然的「母菌」非常相似，不能看作是一種遺傳防火牆。大量三聯密碼的功能重新分配能夠提供這樣一個遠景，可以獲取綜合了XNA 、新鹼基對、新的遺傳密碼等不能與自然生物交流元件的品系。雖然遺傳防火牆可以實現在新生物中納入交換遏制機制，新型生化系統仍需評估新毒素和異源性化學物質。 [24][25]

異源核酸（ XNA ）

起初，這項對DNA替代方式的研究主要由以下兩個問題驅動：地球上的生命是如何進化的，以及為什麼（化學）進化選擇了RNA和DNA而不是其他可能的核酸和結構 。[26]多樣化核酸化學結構的系統實驗研究已經生成了承載信息的完全新的生物聚合物。到目前為止，已經合成了許多用新的化學骨架或經修飾的DNA的XNAs [27][28][29][30] ，例如：己糖核酸（ HNA）; 蘇糖核酸（TNA），[31] [乙二醇核酸（GNA），環己烯基的核酸（CeNA）。 [32]含有3 個 HNA密碼子的 XNA在質體中的整合，已經在2003年完成。 [33]這XNA用於在體內 （大腸桿菌）作為DNA合成的模板。這個研究使用二進制（ G / T）遺傳元件和兩個非DNA鹼基（ Hx / U） ，已被擴展用於CeNA ，GNA對自然生物系統而言似乎對太過陌生，不能用做DNA合成的模板。 [34]雖然有較多的限制，含有擴展鹼基的DNA骨架還是可能被翻譯成天然的DNA 。[35]

擴展的遺傳密碼表

XNAs是擁有修飾的骨架，而其它實驗的目標是用非自然的鹼基替換或擴展DNA的遺傳字母表。例如， DNA已被設計成具有 不是四個標準鹼基A， T，G和C 而是六個鹼基A， T，G ，C和兩個新的P和Z（其中Z代表6-Amino-5-nitro3-(l'-p-D-2'-deoxyribofuranosyl)-2(1H)-pyridone ，和P代表2-Amino-8-(1-beta-D-2'-deoxyribofuranosyl)imidazo[1,2-a]-1,3,5-triazin-4 (8H)。 [36][37][38]在一個系統化的研究中，Leconte等人測試了60個候選鹼基（產生潛在的3600個鹼基對），用於在DNA中可能結合。 [39]

新型聚合酶

天然聚合酶既不能識別XNA ，也不能識別非自然的鹼基。其中一個主要的挑戰是要找到或創建新的聚合酶，將能夠複製這些對自然來說是新的複合物。在某種情況下的HIV逆轉錄酶的修飾的變體被認為是能夠PCR擴增含有第三型的鹼基對的寡核苷酸 。 [40][41] Pinheiro 等人（ 2012 ）證明了聚合酶進化和設計的方法，成功實現了自然界中不存在的核酸結構[異種核酸]的六個其他遺傳聚合物的遺傳信息的存儲和修復（少於100個基點長度）。[42]

遺傳密碼工程

異源生物學的目標之一是重寫通用遺傳密碼 。改變代碼的最有效果的方法是重新分配較少使用甚至從不使用的密碼子。 [43] 在理想的情況下，遺傳密碼將由一個密碼子擴展的，因此從舊的功能中釋放並完全重新定義給一個非常規的氨基酸（ncAA） （ 「代碼擴展」 ） 。因為這些方法實現起來很是費力，可以使用一些捷徑，例如，在特定氨基酸營養缺陷型的細菌中，和在實驗的某一時刻不供給其營養缺陷的常規氨基酸而是其結構類似物。在這種情況下，天然蛋白的氨基酸將被ncAAs替代。甚至多個不同的ncAAs插入同一蛋白分子也是可能的。 [44]最後， 全部20種常規氨基酸不僅可以擴大，但也可降低到19個 [45] 。通過重新分配tRNA /氨酰基-tRNA合成酶對子，密碼子的特異性可以被改變。含有這樣的氨酰基- tRNA合成酶 的細胞因而能夠讀懂現有的基因表達機制不識別的mRNA序列。 [46]替代密碼子： tRNA合成酶對子能導致體內整合非常規的氨基酸到蛋白質。 [47][48]在過去，重新分配密碼子的規模有限。然而，在2013年，哈佛大學的Farren Isaacs 和 George Church用同義密碼子TAA置換了大腸桿菌基因組中的所有314 個TAG終止密碼子，從而表明大量的取代鹼基可合成更高度（修飾）而不致死的菌株。 [49]全基因組密碼子置換成功之後，作者繼續並取得了13個密碼子的重新編程整個基因組，直接影響42重要基因。 [50]

更加激進的遺傳密碼改變是在無細胞體系中 （Sisido）[51]以及在細菌中 (Schultz)，[52] 將一個三聯密碼子的改變成一個四聯密碼，甚至五聯密碼。最後，非天然型鹼基對可用來在蛋白質中導引入新的氨基酸。 [53]

定向進化

由XNA替代DNA的目的也可以通過另一途逕到達，即通過設計環境，而不是遺傳模塊。這一途徑已被Marliere和Mutzel成功地證明了，其製作的大腸桿菌菌株的DNA是由標準的A ，C和G鹼基組成，但合成的胸腺嘧啶類似物5 - 氯尿嘧啶代替了序列相應位置上的胸腺嘧啶（T）。因而將這些細胞的生長依賴於外部提供的5 - 氯尿嘧啶，但除此之外，它們的外形和功能看起來和正常大腸桿菌一樣。這種途徑獲得的細菌具備了防止與其他細菌的相互作用的兩個防火牆，其一是非天然化學物的營養缺陷，其二是包含了不能由其它生物體破譯的一種DNA形式。[54]

人造生命[編輯]

人造生命，又稱合成生命，是近期出現的生物技術術語，指利用生物技術干預、改變遺傳密碼從而產生新的生命個體的研究。創造人造生命是於合成生物學或探索生命的起源領域工作的科學家的一個目標。這個詞語被用來描述最近把人造合成的細菌基因組轉移到一個不同（但有密切關係）的受體細胞的實驗[55]。然而，人造生命這個詞語與「從零開始」，即由單獨的組成部份創造一個生命系統有關。這個目標還未達到。

人造生命是指「in vitro」（意為生物體外，在實驗室中）合成生物化學產物和其組成物質得到的生命，W. Wayt Gibbs提出人造生命的三大目標：「第一，通過構建生命了解生命，而不是拆解生命。第二，讓基因工程名副其實——使其成為一門通過標準化先前的成果並重新組合，以構造更新、更複雜的系統，而持續進步的學科。第三，拓展『生命』與『機械』的界限，直到兩個領域重合併產生真正可程式的生物。」[56]人造生命實驗試圖探究生命的起源，研究生命的一些性質，或者實現更遠大的目標——從非生命物質中合成生命。一個人造生命實驗的例子：嘗試構造自催化的化學反應以模擬可能的生命起源。[57]

遍在遠洋桿菌 Pelagibacter ubique 具有任何游離活生物體的已知的最小基因組（1308759個鹼基對），並且是已知最小的自複製單元中的一個。它可能是世界上數量最多的細菌（也許有1028 個單個細胞），並且與SAR11進化枝的其他成員一起，據估計占海洋中所有細菌或古細菌細胞的四分之一至一半。

合成基因組學（英語：Synthetic genomics）（Synthetic genomics）是合成生物學的新興領域，它利用對已有生命形式的遺傳修飾或人工基因合成來創造新的DNA或整個生命形式。

擴展的遺傳密碼（英語：Expanded genetic code）（Expanded genetic code）是一種人工修改的遺傳密碼，其中一個或多個特定密碼子被重新分配，以編碼不屬於22種常見的天然蛋白編碼氨基酸的氨基酸。擴展遺傳密碼是合成生物學的研究領域，其目的是為有用的目的設計生命系統。遺傳密碼的擴展豐富了科學可用的有用工具。在此研究領域中，20種編碼的蛋白質氨基酸被稱為標準氨基酸，或者被稱為天然氨基酸或標準氨基酸，而添加的氨基酸被稱為非標準氨基酸（NSAA）或非天然氨基酸（uAAs；在處理天然非蛋白原性氨基酸的論文中沒有使用的術語，如磷酸絲氨酸），或非標準氨基酸。擴展遺傳密碼的關鍵前提是：

  • 要編碼的非標準氨基酸，
  • 未使用的密碼子，
  • 識別這個密碼子的tRNA，以及
  • 僅識別該tRNA和僅非標準氨基酸的tRNA合成酶。

為了在遺傳密碼中加入一種新的氨基酸，需要做一些改變。首先，為了成功地翻譯一種新的氨基酸，新氨基酸的密碼子不能已經編碼20種天然氨基酸中的一種。通常使用無義密碼子（終止密碼子）或四鹼基密碼子。其次，需要一對新的tRNA和氨基酰tRNA合成酶，這稱為正交集。正交集不能與內源性tRNA和合成酶集串擾，同時在功能上仍與核糖體和翻譯裝置的其他成分兼容。對合成酶的活性位點進行修飾，使其僅接受新的氨基酸。大多數情況下，突變合成酶的文庫被篩選出來，其中一個文庫向tRNA注入所需的氨基酸。該合成酶也被修飾為只識別正交的tRNA。通常在其他細菌或真核細胞中對tRNA合成酶進行改造。

非標準氨基酸（Non-standard amino acids），在大腸桿菌、酵母或哺乳動物細胞的不同菌株中添加了超過71種不同的非標準氨基酸。由於技術細節（非標準氨基酸的化學合成更容易，串擾更少，氨基酰tRNA合酶的進化更容易），非標準氨基酸通常比標準氨基酸大，並且大多數具有苯丙氨酸核心，但取代基種類繁多。產生大量的新功能：

  • 標記，作為熒光標識物（如丹糖丙氨酸）
  • 在大腸桿菌中產生具有真核翻譯後修飾的翻譯蛋白（如磷絲氨酸、磷蘇氨酸和磷酪氨酸）。
  • 與蛋白質結合的非天然氨基酸包括含有重原子的氨基酸，以促進某些x射線晶體學研究；
  • 具有新穎空間/摺疊和電子性質的氨基酸；
  • 可用於在體內外探測蛋白質-蛋白質相互作用的光交聯氨基酸；
  • 酮、乙炔、疊氮，含硼酸的氨基酸，可在體內外選擇性地將大量的生物物理探針、標記和新的化學官能團引入蛋白質；
  • 氧化還原活性氨基酸，以探測和調節電子轉移；
  • 光老化和光異構化氨基酸，以光調節生物過程；
  • 催化和金屬離子傳感用金屬結合氨基酸；
  • 含有熒光或紅外活性側鏈以探測蛋白質結構和動力學的氨基酸；
  • α-羥基酸和D-氨基酸作為主鏈構象和氫鍵相互作用的探針；
  • 硫酸化氨基酸和磷酸化氨基酸的模擬物作為翻譯後修飾的探針。

非標準氨基酸的可用性要求生物體要麼從培養基中導入，要麼進行生物合成。在第一種情況下，非天然氨基酸首先以其光學純L-形式進行化學合成。然後將其添加到細胞的生長培養基中。通常測試化合物庫以用於併入新氨基酸，但這並不總是必要的，例如，不同的轉運系統可以處理具有非極性側鏈的非天然氨基酸。在第二種情況下，需要設計一種生物合成途徑，例如，一種從基本碳源生物合成新氨基酸（對氨基苯丙氨酸）並將其包含在其遺傳密碼中的大腸桿菌菌株。另一個例子：天然代謝物磷酸絲氨酸的產生，因此需要改變它的路徑流量來增加它的產量。

密碼子分配（Codon assignment），遺傳密碼擴展的一個主要問題是沒有空置的密碼子。遺傳密碼具有非隨機的佈局，它顯示了原始進化各個階段的明顯跡象，然而自那以後它就被凍結在適當的位置。但是有些密碼子比其他密碼子要稀有。最罕見的是琥珀色終止密碼子（UAG）。在經典遺傳學中，終止密碼子各有名稱：UAG為琥珀（amber），UGA為蛋白石（opal），UAA為赭石（ochre）。

  • 琥珀密碼子抑制
  • 稀有密碼子重新分配，除了琥珀密碼子外，還考慮使用罕見的有意義密碼子。
  • 四鹼基密碼子，增加額外的鹼基配對或使用除常規的三聯體遺傳密碼外可接受的同源核糖體、帶有四聯密碼的tRNA。這允許同時使用兩種非天然氨基酸，對疊氮苯丙氨酸(pAzF)和N6-[(2-丙炔氧基)羰基]賴氨酸(CAK)，它們通過Huisgen環加成相互交聯。

非天然鹼基對（英語：Unnatural base pair）（Unnatural base pair，UBP）是設計的DNA亞單位（或核鹼基），在實驗室中創建且在自然界中不存在。除了已經在自然界中發現的兩個鹼基對A-T（腺嘌呤-胸腺嘧啶）和G-C（鳥嘌呤-胞嘧啶）外，它們使用新創建的鹼基形成第三個鹼基對，一些新的鹼基對已經被報道。第三個鹼基對的成功結合是朝着大幅度增加DNA編碼的氨基酸數量的目標的重大突破，從現有的20個氨基酸增加到理論上可能的172個，從而擴大了生物產生新蛋白質的可能性。人造的DNA串還不能編碼任何東西，但科學家們推測，它們可能被設計用來製造新的蛋白質，這些蛋白質可能有工業或藥物用途。合成的DNA結合了不自然的鹼基對，提高了基於不同DNA編碼的生命形式的可能性。[58] [59]

  • 1989年，史蒂文·本納（當時在蘇黎世的瑞士聯邦理工學院工作）和他的團隊在體外將胞嘧啶和鳥嘌呤的修飾形式引入DNA分子中，編碼RNA和蛋白質的核苷酸在體外成功複製。[60]
  • 2002年，日本的Ichiro Hirao's 小組在2-氨基-8-(2-噻吩基)嘌呤（2-amino-8-(2-thienyl)purine (s)）和吡啶-2-酮(y)（pyridine-2-one (y)）之間開發了一種非天然鹼基對，在轉錄和翻譯中發揮作用，用於將非標準氨基酸結合到蛋白質中。[61]2006年，他們創造了7-(2-噻吩基)咪唑[4，5-b]吡啶 (Ds)（7-(2-thienyl)imidazo[4,5-b]pyridine (Ds)）和吡咯-2-氨基乙醛 (Pa)（pyrrole-2-carbaldehyde (Pa)）作為複製和轉錄的第三對鹼基。[62]隨後，Ds和4-[3-(6-氨基己胺基)-1-丙基]-2-硝基吡咯 (Px)（4-[3-(6-aminohexanamido)-1-propynyl]-2-nitropyrrole (Px)） 作為高保真鹼基對在PCR擴增中被發現。[63][64]2013年，他們將Ds-Px對應用於通過體外選擇（SELEX）產生DNA適體，並證明了基因字母表的擴展顯著增強了DNA適體與靶蛋白的親和力。[65]
  • 2012年，由加州聖地亞哥斯克里普斯研究所的化學生物學家弗洛伊德·羅梅斯伯格（Floyd Romesberg）領導的一組美國科學家發表文章稱，他的團隊設計了一種非天然鹼基對。這兩種新的人工核苷酸或非天然鹼基對被命名為d5SICS和dNaM。更確切地說，這些人工核苷酸帶有疏水性的鹼基，具有兩個融合的芳香環，在DNA中形成一個（d5SICS-dNaM）複合物或鹼基對。對於PCR和基於PCR的應用，d5SICS–dNaM非天然鹼基對在功能上等同於天然鹼基對，並且當與所有生物體使用的其他兩個天然鹼基對a–T和G–C結合時，它們提供了一個全功能的、擴展的六個字母的「遺傳字母表」。[66]
  • 2014年，來自斯克里普斯研究所的同一個研究小組報告說，他們合成了一段環狀DNA，稱為含有天然T-A和C-G鹼基對以及表現最好的非天然鹼基對的質體，羅梅斯伯格的實驗室設計並將其插入大腸桿菌的細胞中，成功複製了非天然DNA經過多代的鹼基對。轉染並沒有阻礙大腸桿菌細胞的生長，也沒有顯示出由於其天然的DNA修復機制而失去其非自然鹼基對的跡象。這是已知的第一個活的有機體將擴展的遺傳密碼傳遞給下一代的例子。Romesberg說，他和他的同事創造了300個變種來完善核苷酸的設計，這些核苷酸足夠穩定，並且在細胞分裂時可以像自然核苷酸一樣容易複製。這在一定程度上是通過添加一個支持性的藻類基因來實現的，該基因表達一個核苷酸三磷酸轉運體，該轉運體有效地將d5SICSTP和dNaMTP的三磷酸導入大腸桿菌中。然後，自然的細菌複製途徑利用它們來精確複製含有d5SICS–dNaM的質體。其他研究人員驚訝的是，這種細菌複製了這些人類製造的DNA亞單位。[67][68]
  • 人工擴展遺傳信息系統（Artificially Expanded Genetic Information System，AEGIS）是一種人工合成的DNA類似物，它使用了來自佛羅里達州蓋恩斯維爾應用分子進化基金會實驗室的一些非自然鹼基對。旨在了解地球外生命可能如何發展。該系統在其遺傳密碼中使用了十二種不同的核鹼基，包括在DNA中發現的四個標準核鹼基（腺嘌呤，胞嘧啶，鳥嘌呤和胸腺嘧啶）以及八個合成核鹼基，[69][70][71][72][73]包括S(1-甲基胞嘧啶):B (異鳥嘌呤)，Z(6-氨基-5-硝基吡啶-2-酮)：P(5-氮雜-7-脫氮鳥嘌呤)，V：J,K：X鹼基對。[74]
  • 八文字DNA（英語：Hachimoji DNA，Hachimoji源自日語「八文字」的發音），是一種人工合成的核酸類似物，除含有四種天然DNA中含有的鹼基腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）外，還含有另外四種天然DNA中不含有的鹼基5-氮雜-7-脫氮鳥嘌呤（P）、6-氨基-5-硝基吡啶-2-酮（Z）、異鳥嘌呤（B）、1-甲基胞嘧啶（dS）（在八文字RNA中記爲rS（異胞嘧啶））。八文字DNA中的鹼基配對除天然DNA的A-T和G-C外，還存在Z-P與dS-B兩種配對方式。八文字DNA也存在對應形式的八文字RNA[75][76][77][78][79]。八文字DNA中的非天然鹼基疏水性高於天然DNA，不過仍然可以形成與天然DNA相似的雙螺旋結構。體外（in vitro）實驗表明，經過改造的T7 RNA聚合酶能將八文字DNA轉錄成對應的八文字RNA。

核酸類似物（英語：Nucleic acid analogue）（Nucleic acid analogue），是與天然存在的RNA和DNA 類似（結構相似）的化合物。核酸是核苷酸鏈，由三部分組成：磷酸骨架，戊糖，核糖或去氧核糖以及四個核鹼基之一，類似物可能有任何改變。典型的類似核鹼基賦予不同的鹼基配對和鹼基堆積特性。包括可以與所有四個規範性鹼基配對的通用鹼基，以及影響糖鏈特性的磷酸糖骨架類似物（如PNA）（PNA甚至可以形成三重螺旋）。核酸類似物也稱為異種核酸，它是異源生物學的主要支柱之一，異源生物學是根據替代生物化學方法設計的新自然形態的生命。人工核酸包括肽核酸（PNA）、嗎啉代和鎖核酸（LNA）、乙二醇核酸（GNA）、蘇糖核酸（TNA）。這些中的每一個都通過改變分子骨架來區別於天然存在的DNA或RNA。2014年5月，研究人員宣佈已成功將兩個新的人工核苷酸引入細菌DNA，並且通過在培養基中加入單個人工核苷酸，能夠使細菌傳播24次；他們沒有產生能夠使用人工核苷酸的mRNA或蛋白質。人工核苷酸具有2個稠合的芳香環。


實驗室支原體 Mycoplasma laboratorium 或 Synthia是一種合成的細菌物種。最初的目標是找出一組最小的基因所需要的從維持生命基因的生殖支原體，以及合成重建這些基因來創建一個「新」的有機體。生殖支原體 Mycoplasma genitalium 最初被選為該項目的基礎，後來重點轉移到了絲狀支原體 Mycoplasma mycoides，並採用了更多的反覆試驗方法。

  • Mycoplasma genitalium JCVI-1.0 Gibson et al., 2008[80]
  • Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 Gibson et al., 2010[81][82]
  • Mycoplasma mycoides JCVI-syn2.0 中間過程
  • Mycoplasma mycoides JCVI-syn3.0 Gibson et al., 2016 被認為是第一種真正的合成生物[83]
  • Mycoplasma mycoides JCVI-syn3A Gibson et al., 2019

國際人工合成酵母菌基因組計劃（The international Synthetic Yeast Genome Project）（Saccharomyces cerevisiae version 2.0，Sc2.0），重新設計併合成釀酒酵母的全部16條染色體。旨在從頭開始構建比野生型更穩定的完全設計，可定製的合成釀酒酵母基因組。在合成基因組中，所有轉座子，重複元件和許多內含子都被去除，所有UAG 終止密碼子都被UAA取代，並且轉移RNA基因被轉移到新的新染色體上。將16條染色體人工創建為單條染色體。

  • Saccharomyces cerevisiae BY4742 含有16條染色體
  • Saccharomyces cerevisiae SY6 含有9條染色體
  • Saccharomyces cerevisiae SY13 含有6條染色體
  • Saccharomyces cerevisiae SY14 含有1條染色體

其他合成生命：

  • Caulobacter ethensis-2.0 以（Caulobacter crescentus）為親本完全由計算機創建完成的世界上第一個細菌基因組[84][85]
  • Escherichia coli MDS42 去除了15％的親本菌株（E. coli K-12 MG1655）基因組以提高分子生物學效率，去除了IS元件，假基因和噬菌體，生物化學和複製機制沒有改變。[86][87][88]
  • Escherichia coli Syn61 將64個密碼子合併為61個密碼子[89][90]

猜想生物[編輯]

猜想生物(Speculative Biology)或進化猜想(Speculative Evolution)指的是一個完全假想的科學領域，對生命形式在各種各樣的情況下的進化做出預測和假設。它採用科學的原則和規律，並將其應用於一個「假如」的問題（例如：假如智人Homo sapiens不發展？）。任何「假如」的問題會出現什麼情況，都不可能作出明確的預測結果，只是使用了大量的想像力創造的一個猜想的世界。在假設的歷史進程中通常存在着分歧點，真實的歷史和替代的歷史之間的分歧點是發生變化的關鍵。例如，一個「假如」的問題這個世界沒有人類演化出來，在未來世界的進程分歧點實際上是現在，外星自然史的分歧點基本上不存在。這些假說更多探討是未來或外星環境生物物種的情景。討論一般基於人類已離開未來的地球，其他生物的可能的進化；已滅絕生物如果還未滅絕將怎樣進化；人類未來可能的進化；以及其他星球的生物及生態。這些猜想一般都是建立在現在的進化論和生態學基礎上的有其合理性的假設。

猜想生物(Speculative Biology)一詞來自於蘇格蘭地質學家和古生物學道加爾·狄克遜，[91]他是一系列猜想生物書籍的作者。其他用於這一領域的詞彙包括進化猜想(speculative evolution)，猜想動物學(speculative zoology)，替代進化(alternative evolution)，替代生物(alternative biology)和假想的進化(hypothetical evolution)。

未來生物(Future Biology)繼續進化，生物在未來繼續沿着進化的道路前進。

非傳統進化(Alternative Evolution)，那些生物並沒有滅絕繼續沿着進化的方向前進。

更多的可生存環境，在其他的行星或衛星上因為環境的不同孕育了不同形態的生命。

書籍

  • After Man: A Zoology of the Future（人類滅絕之後的動物） (Dougal Dixon，1981)
  • The New Dinosaurs: An Alternative Evolution（未來恐龍狂想曲） (Dougal Dixon，1988)
  • Man After Man: An Anthropology of the Future（後人類未來人類學） (Dougal Dixon，1990)
  • If Dinosaurs Were Alive Today（若恐龍在今世） (Dougal Dixon，2008)
  • Future Evolution（未來進化） (Peter Ward，Alexis Rockman，2001)
  • Life After Humans: The Future Inhabitants Of Our Wild World（後人類的生命：未來的居民我們的野生動物世界）(Abanoub Marcus，2013)
  • All Tomorrows（所有的明天）(Nemo Ramjet)
  • The Snouters: Form and Life of the Rhinogrades（鼻行動物構造與生活）(Harald Stümpke [=Gerolf Steiner], 1967)
  • 平行植物（レオ・レオーニ、宮本淳訳、工作舎、1980)

紀錄片

  • 《未來狂想曲》 (Dougal Dixon，John Adams，Discovery，2003)[92]
  • Aurelia and Blue Moon（奧麗莉亞星和藍月亮） (National Geographic，2005)[93]
  • The Last Dragon Dragons: A Fantasy Made Real（最後的龍，龍，幻想被證實） (Discovery，2004)[94]
  • Mermaids: The Body Found（美人魚屍體被發現） (Discovery，2012)[95]

天體生物學[編輯]

天體生物學（astrobiology），也稱外空生物學（xenobiology），是一門研究在宇宙中生命起源、生物演化、分佈和未來發展的交叉學科，並不只限於地外生物，或包括對地球生物的研究。在天體物理學上，指研究天體上存在生物的條件及探測天體上是否有生物存在，研究太陽系除地球外其他行星及其衛星上和其他恆星的行星系上可能存在生命現象的理論，以及探討探測方法和手段的[96][97]。 地外生物學（exobiology）是天體生物學的子集，研究範圍較為專門：包括在地球以外尋找生命，以及地外環境對生物的影響[98]。

天體生物學綜合物理學、化學、生物學、分子生物學、生態學、行星科學、地理學與地質學多個方面，焦點研究在探討生命的起源、散佈和演進，探討在其他世界是否可能有生命存在，幫助辨識與地球生物圈環境不同的其他生物圈[99][100]。英文中的「astrobiology」來自希臘語的αστρον（astron= 星體），βιος（bios= 生命），以及 λογος（logos= 詞/科學）。一些天體生物學的研究課題包括：

  • 什麼是生命？
  • 生命怎樣在地球誕生？
  • 生命能忍受怎樣的環境？
  • 我們怎樣才能決定生命有否在其他星球上存在？能找到複雜生命體的機會有多大？
  • 在其他星球上，構成生命的基本物質會是什麼？（是否基於去氧核糖核酸/碳？生理學？）

人工生命[編輯]

人工生命（Artificial life），指通過人工模擬生命系統，來研究生命的領域，是由人工智能產生的概念。最先由計算機科學家克里斯托弗·蘭頓於1987年在洛斯阿拉莫斯國家實驗室召開的「生成以及模擬生命系統的國際會議」上提出。雖然人工生命（AL）領域與人工智能（AI）領域的確有明顯的重疊區，但他們有截然不同的初衷和演生史。以研究是否以及如何實現模擬智能的人工智能研究，早在計算機誕生後的初期就已經興起。

  • 強人工生命：主張「生命系統的演化過程，是一個可以從任何特殊媒介物中抽象出來的過程」（約翰·馮·諾伊曼）。值得注意的是，Tom Ray在Tierra模擬試驗中第一次展示了：進化過程在有着搶佔計算機存儲空間之爭的電腦程式的某種群體中極易發生。
  • 弱人工生命：認為透過非碳基「生命過程」的生成是不可能的；他們的研究不是去模擬這一過程，而是試圖去理解單個的現象。通常通過基於因子的模型進行研究，它通常可提供最簡的可能結論，就是：我們不知道自然界中的什麼生成了這種現象，但是它的生成可以很簡單。

人工生命是藉助計算機以及其他非生物媒介，實現一個具有生物系統應有特徵的過程或系統。這些可實現的生物系統具有的特徵包括：

  • 繁殖可以通過數據結構在可判定條件下的翻倍實現。同樣，個體的死亡，可以通過數據結構在可判定條件下的刪除實現；有性繁殖，可通過組合兩個個體的數據結構特性的數據結構生成的方式實現。
  • 進化可通過模擬突變，以及通過設定對其繁殖能力與存活能力的自然選擇的選擇壓力實現。
  • 信息交換與處理能力模擬的個體與模擬的外界環境之間的信息交換，以及模擬的個體之間的信息交換，即模擬社會系統。
  • 決策能力通過人工模擬腦實現。可以以人工神經網絡或其他人工智能結構實現。

仿生機械人[編輯]

仿生機械人（英語：Android），又稱人型機械人，仿生人，音譯安卓[101]，是一種旨在模仿人類外觀和行為的機械人（robot）[102][103][104][105] 尤其特指具有和人類相似肌體的種類。[103] 直到最近，人型機械人的概念還主要停留在科學幻想領域。機械人學方面的進展已經可以設計出功能化擬真化的人形機械人（humanoid robot）。[106]

機械化有機體[編輯]

賽博格（Cyborg），又稱生化人、改造人或半機械人，是控制論有機體(cybernetic organism)的簡稱，是擁有有機體(organic)與生物機電一體化(biomechatronic)的生物，該詞最早由曼菲德·克萊恩斯和內森·克萊恩在1960年創造。不同於仿生學(bionics)、生物機械人(biorobot)或仿生人(android)，賽博格是以無機物所構成的人造物，植入或者裝配在有機體身體內外，但思考動作均由有機體控制的生物。通常這樣做的目的是藉由人工科技來增加或強化生物體的能力。

自我複製機器[編輯]

自我複製機器（英語：Self-replicating machine）（Self-replicating machine），自我複製機是一種自動機械人，其能夠自動地使用在環境中發現的原料再現本身，從而表現出的自我複製的方式。自動複製機是一種依靠常規大規模技術和自動化的人工自動複製系統。

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