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用户:Wenlongtian/非传统生物

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非传统生物（Alternative biology）或者称为另类生物、替代生物是指基于替代现有生物学理论的非传统生命形式，它还包括地球生命起源理论涉及的可能存在的地球最早的生命体，如RNA生命或铁硫生命。

非细胞生物

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非细胞生物（Non-cellular life）是没有细胞结构存在的生命。这个词的一般指的是系统进化中科学的分类的病毒这一类生命形式[1]。在讨论生命域的分类时，无胞生物(Acytota)也有人称之为隐生类(Aphanobiota)是偶尔使用的病毒类的分类名称。相应的有细胞生物的类别是细胞生物(Cytota)。非细胞生物和细胞生物是生命的两个顶级分类类别，将整个生物界中已知的生命体作为一个整体分类研究。细胞生物(Cytota)包括三个域细菌，古菌与真核生物。

第四域生命（fourth domain of life），大多数的微生物物种很难在实验室培育成功，如同太空中的暗物质一样，海水中的一些生物就像生物世界中的暗生物，它们大量存在着，却很难观察到。艾森和世界上最出名的私人基因研究所文特尔研究所合作，于2003年开始考察大西洋、太平洋和印度洋中微生物群体的多样性。采用了宏基因组学进行研究。在一些微生物体内存在两类基因：RecA 和 RpoB，RecA参与DNA再合成，RpoB参与DNA转化为RNA的过程。艾森在对海水样本的研究中发现了这两类基因的一些片段，其基因序列不同于目前已知的任何一种基因序列。这些基因序列在整个宏基因组分析中十分稀少，所以携带该基因的生物数量可能不够多。与核糖体RNA一样，这两种基因由来已久，普遍存在。当追踪航行中收集到的所有RecA和RpoB基因之间的演变关系时，发现某些部分与公共基因数据库中已知的基因模式并不一致。部分新的分支和已知的分支非常相似，被认为是已知的未知物。但RecA和RpoB各有一个未知的分支。这些分支都不符合现有已知的生命树形图。不能确定这些基因序列的归属。可能属于一种罕见的病毒。也可能属于某种非病毒微生物，可能是第四域生物。如果不明生物属于第四域，那些它们很可能是一类比病毒大而比细菌小的生物。假如病毒是第四域生物，那么新发现的生物很可能就属于第五域。

核质巨DNA病毒（英语：nucleocytoplasmic large DNA viruses，缩写NCLDV）是一类大真核DNA病毒。直径很大的病毒，甚至可以比典型的细菌要大。这类病毒都有共同的DNA功能基因组和独特的病毒粒子结构。它们的基因组非常大，并且含有许多在其他生命形式中没有发现的独特基因。现在还不确定核质巨DNA病毒不同种类之间的相似性是由于利用相同或相似宿主基因进行病毒复制，还是因为一个共同的病毒祖先进化而来，仍需要详细研究。[2]巨型病毒暗示在生物三域系统外存在过第四域，一种业已消失的细胞微生物，巨型病毒是这一支后裔。

亚病毒因子（Subviral Agents）包括卫星（Satellites，或称“拟病毒”，Virusoids）、噬病毒体（Virophages）、类病毒（Viroids）、朊毒体（Prions）等不具备完整的复制机构的类似病毒的感染性生物因子。缺损干扰RNA（defective intefering RNA, DI RNA）需要在辅助病毒（helper virus）的协助下才能进行正常的复制，也算是一种亚病毒因子。

影子生物圈

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影子生物圈(Shadow biosphere)是美国科罗拉多大学的卡罗尔·克莱兰(Carol Cleland)及雪莱·科普利(Shelley Copley)提出的假说[3] ，指的是存在于地球但不同于已知生物理论的生命形式。它们可能存在的非传统生物，与已知的生物有着不同的生物化学和分子生物学过程。它们之所以没被发现，是因为我们探索生物世界用的是传统的生物化学方法。

美国佛罗里达大学生物化学专业的史蒂芬 A. 本纳(Steven A. Benner), 阿隆索 里卡多(Alonso Ricardo), 和马修 A. 卡里根(Matthew A. Carrigan)指出如果RNA生命曾经存在，那就有可能生存到今天，但它们不含核糖体所以被忽视，这通常用于检测现在那些已知的生物体[4]。他们建议寻找这些生命应该在低硫的环境中，在空间上有限制（例如小于1微米孔隙的矿物质）的环境，极端冷热之间循环的环境。

其他影子生物圈可能的建议包括使用不同的生化组分[3]，不同的核酸（碱基、糖不同），组成蛋白质的氨基酸不同，使用非标准氨基酸，手性相反的氨基酸和糖，或者使用砷而不是磷[5]。

2009年的一个研究给出了一个可能的寻找方案[6]

  • 极端自然环境，或者非标准的生命生存环境
    • 干燥的沙漠
    • 冰原
    • 深海热液口和地下深层
    • 高海拔的山顶和高原
    • 高层大气中的颗粒
    • 高辐射环境
    • 高盐环境
    • 过高或过低的pH值
    • 金属和其他有毒物质严重污染的地方
    • 严重缺乏某些关键元素的环境（例如磷，硫）
  • 人工环境
    • 引入特定的针对DNA生命的毒素
    • 剔除所有的磷或其他关键元素
    • 高温（大于150℃）
    • 将水替换为另一种溶剂如氨

RNA世界学说（RNA world hypothesis）是一个理论，认为地球上早期的生命分子以RNA先出现[7]，之后才有蛋白质和DNA[8][9]。且这些早期的RNA分子同时拥有如同DNA的遗传讯息储存功能，以及如蛋白质般的催化能力，支持了早期的细胞或前细胞生命的运作。他们有可能存活到现在还没被发现。

铁硫世界学说（Iron–sulfur world theory），是由在慕尼黑的有化学学位的专利律师根特·维奇特萧瑟（Günter Wächtershäuser）从1988年到1992年期间发表一系列文章提出的生命起源和早期进化的假设，他提出早期生命可能在铁的硫化物矿物质的表面形成。

假定型生物化学

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假定型生物化学（英语：Hypothetical types of biochemistry）不同于现有的生物化学形式的推测，在科学上是可行的，但现在不能证明实际存在。[10]地球上已确认的生物物种通常使用含碳有机物的基本构造和进行代谢功能，用水作为溶剂，用DNA或RNA引导生物发育与生命机能运作，可能有未被发现的生命形式存在根本不同的基本结构和不同于已知的生物化学形式。

  • 生物分子的替代
    • 构成已知生物的生物分子几乎全是手性的，如左旋氨基酸、右旋糖等，手性相反的分子具有相同的化学性质，手性完全相反的生命也可以存在。
    • 同天然存在的RNA和DNA结构相似的化合物核酸类似物也可以作为遗传物质存在，也许有生物就是以核酸类似物保存遗传信息的。
    • 碱基对是形成核酸DNA、RNA单体以及编码遗传信息的化学结构，RNA和DNA中5种主要核碱基及4种新发现的核碱基有可能被其它种类的碱基取代。
    • 几乎所有的已知生物都使用相同的遗传密码，也有少数生物使用一些稍微不同的遗传密码。它编码了20种标准氨基酸，2种次要编码氨基酸。遗传密码扩展后可以编码其它的非标准氨基酸，也可能存在大量使用非标准氨基酸的生命。
    • 地球本身可能存在一个影子生物圈具备我们不知道的生物化学形式。
  • 碳、氧的替代
    • 硅替代碳
    • 硼替代碳
    • 锗、锡和铅替代碳：都是碳族元素，最外层电子数相同
    • 金属氧化物替代碳
    • 硫替代氧
  • 其它替代
    • 碳氧化物替代碳氢化合物
    • 氯气替代氧气
    • 核酸中砷替代磷
    • 氨基酸中硒、碲替代硫
  • 非水溶剂
    • 氨替代水
    • 甲烷、其它碳氢化合物
    • 氟化氢
    • 简单的氢化合物：硫化氢，氯化氢
    • 更复杂的化合物：硫酸，甲酰胺，甲醇
    • 非常低温度的流体：液氮，液氢的超临界流体的形式
    • 水和过氧化氢的混合物
  • 其他类型的猜测
    • 非绿色光合作用，物理学家们研究指出，在地球上进行光合作用的主要是绿色的植物等物种，也有其他颜色的生物体进行光合作用，对于大多数生活在地球上的生物来说绿色是首选的，在其他星球的生物接受的恒星辐射与地球不同也可能选择其他颜色。这些研究表明黄色或红色的植物类生物是合理的，但蓝色光合作用的生物是不太可能的。这主要是基于不同类型恒星的光谱亮度，行星的大气传输特性，地球上生物各种光合色素的吸收光谱。黑色是最佳的色彩，可以尽可能高效地转换所有可用光的能量。目前还不清楚为什么地球上的植物是绿色的而不是黑色。
    • 不同的大气层，在地球历史中大气中的气体成分差别很大。大气中的气体混合物的变化影响着生物的生物化学形式和形态。
    • 可变环境，地球上的许多生物在其生命周期中进行大规模的生化改变响应不断变化的环境条件，环境改变将导致不同的生命形态。

异源生物学

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异源生物学（英语：Xenobiology；简称XB）是合成生物学（synthetic biology）的一个分支，是合成和生物操纵生物学器件和系统的研究。异源生物学源于Xenos（希腊语）这个名词，意思是“陌生人，客人”。因而XB描述的是一种科学对其不熟悉或尚未熟悉、在自然界中也不存在的生物学形式。在实践中，它描述了新型的生命系统和生物化学，不同于经典的DNA-RNA‐20个氨基酸体系（见分子生物学中的经典中心法则）。例如， XB探索的不是DNA或RNA，而是作为信息载体，定名为异源核酸（XNA）的核酸类似物。 [11] 它还侧重于遗传密码的扩展 [12] 以及非蛋白氨基酸向蛋白质的掺入。 [13]

  • 异源生物学拥有揭示生物学和生命起源的基本知识的潜力。为了更好地理解生命的起源，就必须知道为什么生命从一个早期RNA世界向DNA - RNA-蛋白质体系进化及其通用的遗传密码 。 [14]它是一次进化的“意外”或是排除了一些其他类型的生物化学形式？通过测试其他的生化“原始汤” ，它有望更好地理解形成已知生命的原理。
  • 异源生物学是通过发展具有新能力的工业生产体系的方法增强生物聚合物工程和（工程菌的）抗病性。在所有生物中遗传密码编码用于蛋白质生物合成的有20种经典氨基酸。在罕见的情况下，特殊氨基酸如硒代半胱氨酸，吡咯赖氨酸或硒代蛋氨酸可通过翻译，结合到一些生物体的蛋白质中。 [15]通过使用额外的氨基酸的700多个分子的生化分析，可以看到蛋白质性质被改变，产生了更有效的催化的或材料的功能。例如，欧盟资助的项目METACODE，力图把代谢衍生物（到目前为止，在活的生物体未知的有用的催化功能）结合入细菌细胞。XB可以提高生产过程的另一个原因，在于能够降低病毒或噬菌体感染的风险，因为XB细胞将不再是合适的宿主细胞、让它们变得更有抗性（一个称为交换遏制的方法）。
  • 异源生物学提供了一个可设计的 “基因防火墙” ，一种新型的生物防护系统，它可以帮助加强和丰富目前的生物遏制方法的选项。传统基因工程和生物技术的其中一个关注是向环境的[水平基因转移]及其可能对人类健康的风险。在XB中的一个主要构思是设计不同的遗传密码和生化组成从而使水平基因转移成为不再可能。此外替代生物化学还将允许新的合成营养缺陷型。这一构思是创建一个正交生物系统，与自然遗传系统不兼容。 [16]

在异源生物学，其目的是设计和建造，在一个或多个基本水平上与他们的自然同类不同的生物系统。理想的情况是这些对自然界来说是新的生物将在每一个可能的生化方面表现出非常不同的遗传密码。长期的目标是构建一个细胞，这个细胞将不用DNA，而用异源核酸（ XNA ）、用不同的碱基对、非经典的氨基酸和改变的遗传密码组成的信息聚合物中储存其遗传信息。到目前为止，已经构建的细胞只包含了其中的一两个特性。

异源生物学的系统旨在设计与自然生物正交的系统。 A类生物（仍是假设的），使用XNA [17] 、不同的碱基对、及聚合酶并具有改变的遗传密码，将很难能够在基因水平上与自然的生命形式进行互动。因此，这些异源生物学的生物体代表一个基因飞地，不能与自然的细胞进行信息交换。 [18] 改变细胞的遗传机制导致交换遏制。类似于在IT信息处理，这种安全概念被称为“遗传防火墙”。 [19][20]遗传防火墙的概念似乎克服了许多以前的生物安全系统的局限性。 [21][22] 遗传防火墙的理论概念的第一个实验证据是在2013年实现与基因组重新编码的生物（ GRO）的构建。在这一GRO中，大肠杆菌中所有已知UAG终止密码子都由UAA密码子替换，这会允许删除释放因子1并允许重新分配UAG的翻译功能。这个GRO对T7噬菌体的抗性提高从而显示出改变的遗传密码能够减少遗传兼容性。 [23] 但是，这种GRO仍然是与其自然的“母菌”非常相似，不能看作是一种遗传防火墙。大量三联密码的功能重新分配能够提供这样一个远景，可以获取综合了XNA 、新碱基对、新的遗传密码等不能与自然生物交流元件的品系。虽然遗传防火墙可以实现在新生物中纳入交换遏制机制，新型生化系统仍需评估新毒素和异源性化学物质。 [24][25]

异源核酸（ XNA ）

起初，这项对DNA替代方式的研究主要由以下两个问题驱动：地球上的生命是如何进化的，以及为什么（化学）进化选择了RNA和DNA而不是其他可能的核酸和结构 。[26]多样化核酸化学结构的系统实验研究已经生成了承载信息的完全新的生物聚合物。到目前为止，已经合成了许多用新的化学骨架或经修饰的DNA的XNAs [27][28][29][30] ，例如：己糖核酸（ HNA）; 苏糖核酸（TNA），[31] [乙二醇核酸（GNA），环己烯基的核酸（CeNA）。 [32]含有3 个 HNA密码子的 XNA在质粒中的整合，已经在2003年完成。 [33]这XNA用于在体内 （大肠杆菌）作为DNA合成的模板。这个研究使用二进制（ G / T）遗传元件和两个非DNA碱基（ Hx / U） ，已被扩展用于CeNA ，GNA对自然生物系统而言似乎对太过陌生，不能用做DNA合成的模板。 [34]虽然有较多的限制，含有扩展碱基的DNA骨架还是可能被翻译成天然的DNA 。[35]

扩展的遗传密码表

XNAs是拥有修饰的骨架，而其它实验的目标是用非自然的碱基替换或扩展DNA的遗传字母表。例如， DNA已被设计成具有 不是四个标准碱基A， T，G和C 而是六个碱基A， T，G ，C和两个新的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]在一个系统化的研究中，Leconte等人测试了60个候选碱基（产生潜在的3600个碱基对），用于在DNA中可能结合。 [39]

新型聚合酶

天然聚合酶既不能识别XNA ，也不能识别非自然的碱基。其中一个主要的挑战是要找到或创建新的聚合酶，将能够复制这些对自然来说是新的复合物。在某种情况下的HIV逆转录酶的修饰的变体被认为是能够PCR扩增含有第三型的碱基对的寡核苷酸 。 [40][41] Pinheiro 等人（ 2012 ）证明了聚合酶进化和设计的方法，成功实现了自然界中不存在的核酸结构[异种核酸]的六个其他遗传聚合物的遗传信息的存储和修复（少于100个基点长度）。[42]

遗传密码工程

异源生物学的目标之一是重写通用遗传密码 。改变代码的最有效果的方法是重新分配较少使用甚至从不使用的密码子。 [43] 在理想的情况下，遗传密码将由一个密码子扩展的，因此从旧的功能中释放并完全重新定义给一个非常规的氨基酸（ncAA） （ “代码扩展” ） 。因为这些方法实现起来很是费力，可以使用一些捷径，例如，在特定氨基酸营养缺陷型的细菌中，和在实验的某一时刻不供给其营养缺陷的常规氨基酸而是其结构类似物。在这种情况下，天然蛋白的氨基酸将被ncAAs替代。甚至多个不同的ncAAs插入同一蛋白分子也是可能的。 [44]最后， 全部20种常规氨基酸不仅可以扩大，但也可降低到19个 [45] 。通过重新分配tRNA /氨酰基-tRNA合成酶对子，密码子的特异性可以被改变。含有这样的氨酰基- tRNA合成酶 的细胞因而能够读懂现有的基因表达机制不识别的mRNA序列。 [46]替代密码子： tRNA合成酶对子能导致体内整合非常规的氨基酸到蛋白质。 [47][48]在过去，重新分配密码子的规模有限。然而，在2013年，哈佛大学的Farren Isaacs 和 George Church用同义密码子TAA置换了大肠杆菌基因组中的所有314 个TAG终止密码子，从而表明大量的取代碱基可合成更高度（修饰）而不致死的菌株。 [49]全基因组密码子置换成功之后，作者继续并取得了13个密码子的重新编程整个基因组，直接影响42重要基因。 [50]

更加激进的遗传密码改变是在无细胞体系中 （Sisido）[51]以及在细菌中 (Schultz)，[52] 将一个三联密码子的改变成一个四联密码，甚至五联密码。最后，非天然型碱基对可用来在蛋白质中导引入新的氨基酸。 [53]

定向进化

由XNA替代DNA的目的也可以通过另一途径到达，即通过设计环境，而不是遗传模块。这一途径已被Marliere和Mutzel成功地证明了，其制作的大肠杆菌菌株的DNA是由标准的A ，C和G碱基组成，但合成的胸腺嘧啶类似物5 - 氯尿嘧啶代替了序列相应位置上的胸腺嘧啶（T）。因而将这些细胞的生长依赖于外部提供的5 - 氯尿嘧啶，但除此之外，它们的外形和功能看起来和正常大肠杆菌一样。这种途径获得的细菌具备了防止与其他细菌的相互作用的两个防火墙，其一是非天然化学物的营养缺陷，其二是包含了不能由其它生物体破译的一种DNA形式。[54]

人造生命

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人造生命，又称合成生命，是近期出现的生物技术术语，指利用生物技术干预、改变遗传密码从而产生新的生命个体的研究。创造人造生命是于合成生物学或探索生命的起源领域工作的科学家的一个目标。这个词语被用来描述最近把人造合成的细菌基因组转移到一个不同（但有密切关系）的受体细胞的实验[55]。然而，人造生命这个词语与“从零开始”，即由单独的组成部分创造一个生命系统有关。这个目标还未达到。

人造生命是指“in vitro”（意为生物体外，在实验室中）合成生物化学产物和其组成物质得到的生命，W. Wayt Gibbs提出人造生命的三大目标：“第一，通过构建生命了解生命，而不是拆解生命。第二，让基因工程名副其实——使其成为一门通过标准化先前的成果并重新组合，以构造更新、更复杂的系统，而持续进步的学科。第三，拓展‘生命’与‘机械’的界限，直到两个领域重合并产生真正可编程的生物。”[56]人造生命实验试图探究生命的起源，研究生命的一些性质，或者实现更远大的目标——从非生命物质中合成生命。一个人造生命实验的例子：尝试构造自催化的化学反应以模拟可能的生命起源。[57]

遍在远洋杆菌 Pelagibacter ubique 具有任何游离活生物体的已知的最小基因组（1308759个碱基对），并且是已知最小的自复制单元中的一个。它可能是世界上数量最多的细菌（也许有1028 个单个细胞），并且与SAR11进化枝的其他成员一起，据估计占海洋中所有细菌或古细菌细胞的四分之一至一半。

合成基因组学（英语：Synthetic genomics）（Synthetic genomics）是合成生物学的新兴领域，它利用对已有生命形式的遗传修饰或人工基因合成来创造新的DNA或整个生命形式。

扩展的遗传密码（英语：Expanded genetic code）（Expanded genetic code）是一种人工修改的遗传密码，其中一个或多个特定密码子被重新分配，以编码不属于22种常见的天然蛋白编码氨基酸的氨基酸。扩展遗传密码是合成生物学的研究领域，其目的是为有用的目的设计生命系统。遗传密码的扩展丰富了科学可用的有用工具。在此研究领域中，20种编码的蛋白质氨基酸被称为标准氨基酸，或者被称为天然氨基酸或标准氨基酸，而添加的氨基酸被称为非标准氨基酸（NSAA）或非天然氨基酸（uAAs；在处理天然非蛋白原性氨基酸的论文中没有使用的术语，如磷酸丝氨酸），或非标准氨基酸。扩展遗传密码的关键前提是：

  • 要编码的非标准氨基酸，
  • 未使用的密码子，
  • 识别这个密码子的tRNA，以及
  • 仅识别该tRNA和仅非标准氨基酸的tRNA合成酶。

为了在遗传密码中加入一种新的氨基酸，需要做一些改变。首先，为了成功地翻译一种新的氨基酸，新氨基酸的密码子不能已经编码20种天然氨基酸中的一种。通常使用无义密码子（终止密码子）或四碱基密码子。其次，需要一对新的tRNA和氨基酰tRNA合成酶，这称为正交集。正交集不能与内源性tRNA和合成酶集串扰，同时在功能上仍与核糖体和翻译装置的其他成分兼容。对合成酶的活性位点进行修饰，使其仅接受新的氨基酸。大多数情况下，突变合成酶的文库被筛选出来，其中一个文库向tRNA注入所需的氨基酸。该合成酶也被修饰为只识别正交的tRNA。通常在其他细菌或真核细胞中对tRNA合成酶进行改造。

非标准氨基酸（Non-standard amino acids），在大肠杆菌、酵母或哺乳动物细胞的不同菌株中添加了超过71种不同的非标准氨基酸。由于技术细节（非标准氨基酸的化学合成更容易，串扰更少，氨基酰tRNA合酶的进化更容易），非标准氨基酸通常比标准氨基酸大，并且大多数具有苯丙氨酸核心，但取代基种类繁多。产生大量的新功能：

  • 标记，作为荧光标识物（如丹糖丙氨酸）
  • 在大肠杆菌中产生具有真核翻译后修饰的翻译蛋白（如磷丝氨酸、磷苏氨酸和磷酪氨酸）。
  • 与蛋白质结合的非天然氨基酸包括含有重原子的氨基酸，以促进某些x射线晶体学研究；
  • 具有新颖空间/折叠和电子性质的氨基酸；
  • 可用于在体内外探测蛋白质-蛋白质相互作用的光交联氨基酸；
  • 酮、乙炔、叠氮，含硼酸的氨基酸，可在体内外选择性地将大量的生物物理探针、标记和新的化学官能团引入蛋白质；
  • 氧化还原活性氨基酸，以探测和调节电子转移；
  • 光老化和光异构化氨基酸，以光调节生物过程；
  • 催化和金属离子传感用金属结合氨基酸；
  • 含有荧光或红外活性侧链以探测蛋白质结构和动力学的氨基酸；
  • α-羟基酸和D-氨基酸作为主链构象和氢键相互作用的探针；
  • 硫酸化氨基酸和磷酸化氨基酸的模拟物作为翻译后修饰的探针。

非标准氨基酸的可用性要求生物体要么从培养基中导入，要么进行生物合成。在第一种情况下，非天然氨基酸首先以其光学纯L-形式进行化学合成。然后将其添加到细胞的生长培养基中。通常测试化合物库以用于并入新氨基酸，但这并不总是必要的，例如，不同的转运系统可以处理具有非极性侧链的非天然氨基酸。在第二种情况下，需要设计一种生物合成途径，例如，一种从基本碳源生物合成新氨基酸（对氨基苯丙氨酸）并将其包含在其遗传密码中的大肠杆菌菌株。另一个例子：天然代谢物磷酸丝氨酸的产生，因此需要改变它的路径流量来增加它的产量。

密码子分配（Codon assignment），遗传密码扩展的一个主要问题是没有空置的密码子。遗传密码具有非随机的布局，它显示了原始进化各个阶段的明显迹象，然而自那以后它就被冻结在适当的位置。但是有些密码子比其他密码子要稀有。最罕见的是琥珀色终止密码子（UAG）。在经典遗传学中，终止密码子各有名称：UAG为琥珀（amber），UGA为蛋白石（opal），UAA为赭石（ochre）。

  • 琥珀密码子抑制
  • 稀有密码子重新分配，除了琥珀密码子外，还考虑使用罕见的有意义密码子。
  • 四碱基密码子，增加额外的碱基配对或使用除常规的三联体遗传密码外可接受的同源核糖体、带有四联密码的tRNA。这允许同时使用两种非天然氨基酸，对叠氮苯丙氨酸(pAzF)和N6-[(2-丙炔氧基)羰基]赖氨酸(CAK)，它们通过Huisgen环加成相互交联。

非天然碱基对（英语：Unnatural base pair）（Unnatural base pair，UBP）是设计的DNA亚单位（或核碱基），在实验室中创建且在自然界中不存在。除了已经在自然界中发现的两个碱基对A-T（腺嘌呤-胸腺嘧啶）和G-C（鸟嘌呤-胞嘧啶）外，它们使用新创建的碱基形成第三个碱基对，一些新的碱基对已经被报道。第三个碱基对的成功结合是朝着大幅度增加DNA编码的氨基酸数量的目标的重大突破，从现有的20个氨基酸增加到理论上可能的172个，从而扩大了生物产生新蛋白质的可能性。人造的DNA串还不能编码任何东西，但科学家们推测，它们可能被设计用来制造新的蛋白质，这些蛋白质可能有工业或药物用途。合成的DNA结合了不自然的碱基对，提高了基于不同DNA编码的生命形式的可能性。[58] [59]

  • 1989年，史蒂文·本纳（当时在苏黎世的瑞士联邦理工学院工作）和他的团队在体外将胞嘧啶和鸟嘌呤的修饰形式引入DNA分子中，编码RNA和蛋白质的核苷酸在体外成功复制。[60]
  • 2002年，日本的Ichiro Hirao's 小组在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)）之间开发了一种非天然碱基对，在转录和翻译中发挥作用，用于将非标准氨基酸结合到蛋白质中。[61]2006年，他们创造了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)）作为复制和转录的第三对碱基。[62]随后，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)） 作为高保真碱基对在PCR扩增中被发现。[63][64]2013年，他们将Ds-Px对应用于通过体外选择（SELEX）产生DNA适体，并证明了基因字母表的扩展显著增强了DNA适体与靶蛋白的亲和力。[65]
  • 2012年，由加州圣地亚哥斯克里普斯研究所的化学生物学家弗洛伊德·罗梅斯伯格（Floyd Romesberg）领导的一组美国科学家发表文章称，他的团队设计了一种非天然碱基对。这两种新的人工核苷酸或非天然碱基对被命名为d5SICS和dNaM。更确切地说，这些人工核苷酸带有疏水性的碱基，具有两个融合的芳香环，在DNA中形成一个（d5SICS-dNaM）复合物或碱基对。对于PCR和基于PCR的应用，d5SICS–dNaM非天然碱基对在功能上等同于天然碱基对，并且当与所有生物体使用的其他两个天然碱基对a–T和G–C结合时，它们提供了一个全功能的、扩展的六个字母的“遗传字母表”。[66]
  • 2014年，来自斯克里普斯研究所的同一个研究小组报告说，他们合成了一段环状DNA，称为含有天然T-A和C-G碱基对以及表现最好的非天然碱基对的质粒，罗梅斯伯格的实验室设计并将其插入大肠杆菌的细胞中，成功复制了非天然DNA经过多代的碱基对。转染并没有阻碍大肠杆菌细胞的生长，也没有显示出由于其天然的DNA修复机制而失去其非自然碱基对的迹象。这是已知的第一个活的有机体将扩展的遗传密码传递给下一代的例子。Romesberg说，他和他的同事创造了300个变种来完善核苷酸的设计，这些核苷酸足够稳定，并且在细胞分裂时可以像自然核苷酸一样容易复制。这在一定程度上是通过添加一个支持性的藻类基因来实现的，该基因表达一个核苷酸三磷酸转运体，该转运体有效地将d5SICSTP和dNaMTP的三磷酸导入大肠杆菌中。然后，自然的细菌复制途径利用它们来精确复制含有d5SICS–dNaM的质粒。其他研究人员惊讶的是，这种细菌复制了这些人类制造的DNA亚单位。[67][68]
  • 人工扩展遗传信息系统（Artificially Expanded Genetic Information System，AEGIS）是一种人工合成的DNA类似物，它使用了来自佛罗里达州盖恩斯维尔应用分子进化基金会实验室的一些非自然碱基对。旨在了解地球外生命可能如何发展。该系统在其遗传密码中使用了十二种不同的核碱基，包括在DNA中发现的四个标准核碱基（腺嘌呤，胞嘧啶，鸟嘌呤和胸腺嘧啶）以及八个合成核碱基，[69][70][71][72][73]包括S(1-甲基胞嘧啶):B (异鸟嘌呤)，Z(6-氨基-5-硝基吡啶-2-酮)：P(5-氮杂-7-脱氮鸟嘌呤)，V：J,K：X碱基对。[74]
  • 八文字DNA（英语：Hachimoji DNA，Hachimoji源自日语“八文字”的发音），是一种人工合成的核酸类似物，除含有四种天然DNA中含有的碱基腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）外，还含有另外四种天然DNA中不含有的碱基5-氮杂-7-脱氮鸟嘌呤（P）、6-氨基-5-硝基吡啶-2-酮（Z）、异鸟嘌呤（B）、1-甲基胞嘧啶（dS）（在八文字RNA中记为rS（异胞嘧啶））。八文字DNA中的碱基配对除天然DNA的A-T和G-C外，还存在Z-P与dS-B两种配对方式。八文字DNA也存在对应形式的八文字RNA[75][76][77][78][79]。八文字DNA中的非天然碱基疏水性高于天然DNA，不过仍然可以形成与天然DNA相似的双螺旋结构。体外（in vitro）实验表明，经过改造的T7 RNA聚合酶能将八文字DNA转录成对应的八文字RNA。

核酸类似物（英语：Nucleic acid analogue）（Nucleic acid analogue），是与天然存在的RNA和DNA 类似（结构相似）的化合物。核酸是核苷酸链，由三部分组成：磷酸骨架，戊糖，核糖或脱氧核糖以及四个核碱基之一，类似物可能有任何改变。典型的类似核碱基赋予不同的碱基配对和碱基堆积特性。包括可以与所有四个规范性碱基配对的通用碱基，以及影响糖链特性的磷酸糖骨架类似物（如PNA）（PNA甚至可以形成三重螺旋）。核酸类似物也称为异种核酸，它是异源生物学的主要支柱之一，异源生物学是根据替代生物化学方法设计的新自然形态的生命。人工核酸包括肽核酸（PNA）、吗啉代和锁核酸（LNA）、乙二醇核酸（GNA）、苏糖核酸（TNA）。这些中的每一个都通过改变分子骨架来区别于天然存在的DNA或RNA。2014年5月，研究人员宣布已成功将两个新的人工核苷酸引入细菌DNA，并且通过在培养基中加入单个人工核苷酸，能够使细菌传播24次；他们没有产生能够使用人工核苷酸的mRNA或蛋白质。人工核苷酸具有2个稠合的芳香环。


实验室支原体 Mycoplasma laboratorium 或 Synthia是一种合成的细菌物种。最初的目标是找出一组最小的基因所需要的从维持生命基因的生殖支原体，以及合成重建这些基因来创建一个“新”的有机体。生殖支原体 Mycoplasma genitalium 最初被选为该项目的基础，后来重点转移到了丝状支原体 Mycoplasma mycoides，并采用了更多的反复试验方法。

  • 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 中间过程
  • Mycoplasma mycoides JCVI-syn3.0 Gibson et al., 2016 被认为是第一种真正的合成生物[83]
  • Mycoplasma mycoides JCVI-syn3A Gibson et al., 2019

国际人工合成酵母菌基因组计划（The international Synthetic Yeast Genome Project）（Saccharomyces cerevisiae version 2.0，Sc2.0），重新设计并合成酿酒酵母的全部16条染色体。旨在从头开始构建比野生型更稳定的完全设计，可定制的合成酿酒酵母基因组。在合成基因组中，所有转座子，重复元件和许多内含子都被去除，所有UAG 终止密码子都被UAA取代，并且转移RNA基因被转移到新的新染色体上。将16条染色体人工创建为单条染色体。

  • Saccharomyces cerevisiae BY4742 含有16条染色体
  • Saccharomyces cerevisiae SY6 含有9条染色体
  • Saccharomyces cerevisiae SY13 含有6条染色体
  • Saccharomyces cerevisiae SY14 含有1条染色体

其他合成生命：

  • Caulobacter ethensis-2.0 以（Caulobacter crescentus）为亲本完全由计算机创建完成的世界上第一个细菌基因组[84][85]
  • Escherichia coli MDS42 去除了15％的亲本菌株（E. coli K-12 MG1655）基因组以提高分子生物学效率，去除了IS元件，假基因和噬菌体，生物化学和复制机制没有改变。[86][87][88]
  • Escherichia coli Syn61 将64个密码子合并为61个密码子[89][90]

猜想生物

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猜想生物(Speculative Biology)或进化猜想(Speculative Evolution)指的是一个完全假想的科学领域，对生命形式在各种各样的情况下的进化做出预测和假设。它采用科学的原则和规律，并将其应用于一个“假如”的问题（例如：假如智人Homo sapiens不发展？）。任何“假如”的问题会出现什么情况，都不可能作出明确的预测结果，只是使用了大量的想象力创造的一个猜想的世界。在假设的历史进程中通常存在着分歧点，真实的历史和替代的历史之间的分歧点是发生变化的关键。例如，一个“假如”的问题这个世界没有人类演化出来，在未来世界的进程分歧点实际上是现在，外星自然史的分歧点基本上不存在。这些假说更多探讨是未来或外星环境生物物种的情景。讨论一般基于人类已离开未来的地球，其他生物的可能的进化；已灭绝生物如果还未灭绝将怎样进化；人类未来可能的进化；以及其他星球的生物及生态。这些猜想一般都是建立在现在的进化论和生态学基础上的有其合理性的假设。

猜想生物(Speculative Biology)一词来自于苏格兰地质学家和古生物学道加尔·狄克逊，[91]他是一系列猜想生物书籍的作者。其他用于这一领域的词汇包括进化猜想(speculative evolution)，猜想动物学(speculative zoology)，替代进化(alternative evolution)，替代生物(alternative biology)和假想的进化(hypothetical evolution)。

未来生物(Future Biology)继续进化，生物在未来继续沿着进化的道路前进。

非传统进化(Alternative Evolution)，那些生物并没有灭绝继续沿着进化的方向前进。

更多的可生存环境，在其他的行星或卫星上因为环境的不同孕育了不同形态的生命。

书籍

  • After Man: A Zoology of the Future（人类灭绝之后的动物） (Dougal Dixon，1981)
  • The New Dinosaurs: An Alternative Evolution（未来恐龙狂想曲） (Dougal Dixon，1988)
  • Man After Man: An Anthropology of the Future（后人类未来人类学） (Dougal Dixon，1990)
  • If Dinosaurs Were Alive Today（若恐龙在今世） (Dougal Dixon，2008)
  • Future Evolution（未来进化） (Peter Ward，Alexis Rockman，2001)
  • Life After Humans: The Future Inhabitants Of Our Wild World（后人类的生命：未来的居民我们的野生动物世界）(Abanoub Marcus，2013)
  • All Tomorrows（所有的明天）(Nemo Ramjet)
  • The Snouters: Form and Life of the Rhinogrades（鼻行动物构造与生活）(Harald Stümpke [=Gerolf Steiner], 1967)
  • 平行植物（レオ・レオーニ、宫本淳訳、工作舎、1980)

纪录片

  • 《未来狂想曲》 (Dougal Dixon，John Adams，Discovery，2003)[92]
  • Aurelia and Blue Moon（奥丽莉亚星和蓝月亮） (National Geographic，2005)[93]
  • The Last Dragon Dragons: A Fantasy Made Real（最后的龙，龙，幻想被证实） (Discovery，2004)[94]
  • Mermaids: The Body Found（美人鱼尸体被发现） (Discovery，2012)[95]

天体生物学

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天体生物学（astrobiology），也称外空生物学（xenobiology），是一门研究在宇宙中生命起源、生物演化、分布和未来发展的交叉学科，并不只限于地外生物，或包括对地球生物的研究。在天体物理学上，指研究天体上存在生物的条件及探测天体上是否有生物存在，研究太阳系除地球外其他行星及其卫星上和其他恒星的行星系上可能存在生命现象的理论，以及探讨探测方法和手段的[96][97]。 地外生物学（exobiology）是天体生物学的子集，研究范围较为专门：包括在地球以外寻找生命，以及地外环境对生物的影响[98]。

天体生物学综合物理学、化学、生物学、分子生物学、生态学、行星科学、地理学与地质学多个方面，焦点研究在探讨生命的起源、散布和演进，探讨在其他世界是否可能有生命存在，帮助辨识与地球生物圈环境不同的其他生物圈[99][100]。英文中的“astrobiology”来自希腊语的αστρον（astron= 星体），βιος（bios= 生命），以及 λογος（logos= 词/科学）。一些天体生物学的研究课题包括：

  • 什么是生命？
  • 生命怎样在地球诞生？
  • 生命能忍受怎样的环境？
  • 我们怎样才能决定生命有否在其他星球上存在？能找到复杂生命体的机会有多大？
  • 在其他星球上，构成生命的基本物质会是什么？（是否基于脱氧核糖核酸/碳？生理学？）

人工生命

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人工生命（Artificial life），指通过人工模拟生命系统，来研究生命的领域，是由人工智能产生的概念。最先由计算机科学家克里斯托弗·兰顿于1987年在洛斯阿拉莫斯国家实验室召开的“生成以及模拟生命系统的国际会议”上提出。虽然人工生命（AL）领域与人工智能（AI）领域的确有明显的重叠区，但他们有截然不同的初衷和演生史。以研究是否以及如何实现模拟智能的人工智能研究，早在计算机诞生后的初期就已经兴起。

  • 强人工生命：主张“生命系统的演化过程，是一个可以从任何特殊媒介物中抽象出来的过程”（约翰·冯·诺伊曼）。值得注意的是，Tom Ray在Tierra模拟试验中第一次展示了：进化过程在有着抢占计算机存储空间之争的计算机程序的某种群体中极易发生。
  • 弱人工生命：认为透过非碳基“生命过程”的生成是不可能的；他们的研究不是去模拟这一过程，而是试图去理解单个的现象。通常通过基于因子的模型进行研究，它通常可提供最简的可能结论，就是：我们不知道自然界中的什么生成了这种现象，但是它的生成可以很简单。

人工生命是借助计算机以及其他非生物媒介，实现一个具有生物系统应有特征的过程或系统。这些可实现的生物系统具有的特征包括：

  • 繁殖可以通过数据结构在可判定条件下的翻倍实现。同样，个体的死亡，可以通过数据结构在可判定条件下的删除实现；有性繁殖，可通过组合两个个体的数据结构特性的数据结构生成的方式实现。
  • 进化可通过模拟突变，以及通过设定对其繁殖能力与存活能力的自然选择的选择压力实现。
  • 信息交换与处理能力模拟的个体与模拟的外界环境之间的信息交换，以及模拟的个体之间的信息交换，即模拟社会系统。
  • 决策能力通过人工模拟脑实现。可以以人工神经网络或其他人工智能结构实现。

仿生机器人

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仿生机器人（英语：Android），又称人型机器人，仿生人，音译安卓[101]，是一种旨在模仿人类外观和行为的机器人（robot）[102][103][104][105] 尤其特指具有和人类相似肌体的种类。[103] 直到最近，人型机器人的概念还主要停留在科学幻想领域。机器人学方面的进展已经可以设计出功能化拟真化的人形机器人（humanoid robot）。[106]

机械化有机体

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赛博格（Cyborg），又称生化人、改造人或半机器人，是控制论有机体(cybernetic organism)的简称，是拥有有机体(organic)与生物机电一体化(biomechatronic)的生物，该词最早由曼菲德·克莱恩斯和内森·克莱恩在1960年创造。不同于仿生学(bionics)、生物机器人(biorobot)或仿生人(android)，赛博格是以无机物所构成的人造物，植入或者装配在有机体身体内外，但思考动作均由有机体控制的生物。通常这样做的目的是借由人工科技来增加或强化生物体的能力。

自我复制机器

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自我复制机器（英语：Self-replicating machine）（Self-replicating machine），自我复制机是一种自动机器人，其能够自动地使用在环境中发现的原料再现本身，从而表现出的自我复制的方式。自动复制机是一种依靠常规大规模技术和自动化的人工自动复制系统。

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