生命新詮釋：重新編碼細菌基因組

編譯 秦雪

Syn61是在瓊脂平板上培養的一種“重新編碼”基因組的大腸桿菌

倫敦郊外賈森·秦（Jason Chin）的實驗室里，一些細菌在撒有營養液體培養基的塑料小盤子里歡快地吃著、繁殖著、呼吸著，看上去很普通，但它們與地球上的其他任何生物——從真菌、鱷梨到郁金香、知更鳥和大象——都有著本質的不同，它們是用不同的遺傳密碼人工合成的微生物。

事實上，這些大腸桿菌擁有有史以來最廣泛的“重新編碼”基因組，秦和他在英國醫學研究委員會分子生物學實驗室的同事最近在《自然》雜志上報道稱?！斑@是一個重大的里程碑。”哈佛大學生物學家喬治·丘奇（George Church）說，雖然他沒有參與這項新研究。以下是丘奇和其他幾位科學家對合成生物學領域內所取得的這一里程碑式成就的解讀。

這個基因組“合成”了什么？

所有一切。科學家把從供應商那里訂購的DNA構建塊結合在一起合成了有史以來最大的基因組。這一過程被稱為“編寫”基因組，這是基因組編寫計劃項目（Genome Project-write project，簡稱“GP-write”）科學家正在做的事情。(“讀取”基因組是人類基因組計劃所要做的——確定其數百萬或數十億個DNA字母或堿基的序列。)

2010年，遺傳學先驅克雷格·文特爾和他的同事們用這種方法組裝了支原體分枝桿菌的整個基因組，科學家使用GP-write已經合成了構成面包酵母單一菌株基因組16條染色體中的2條。但支原體基因組只有108萬對堿基，酵母染色體不到100萬對。大腸桿菌有400萬對，秦的團隊將其切成37個片段并合成了它們，這個過程他很理所當然地稱之為“創世起源”。

什么是基因重新編碼？

本質上來說，基因重新編碼改變了基因字典。地球上的每一種生物都使用相同的64個密碼子（由DNA的A、T、C和G組成的三字母組合）來指定構成蛋白質的氨基酸。例如，TCA指定的絲氨酸，意思是“從細胞湯中提取氨基酸并將其附著到細胞正在制造的蛋白質上”；AAG指定的是賴氨酸；TAA的意思是停止向生長中的蛋白質中添加氨基酸。但AGT的意思也是絲氨酸，AGC、TCT、TCC和TCG也是一樣。如果自然是有效的，它會用20個密碼子來合成20個氨基酸，再加上一個密碼子來表示“停止”。重新編碼是削減多余密碼子，并賦予它們新的功能?！拔覀儼l明的任何東西都有雙重用途，但重要的是：我們在討論應該做什么和不應該做什么。這些實驗都是在嚴格控制下進行的?！?/p>

——賈森·秦

秦是如何實現重新編碼的？

他和他的團隊系統地用AGC替換了每一個發生的絲氨酸密碼子TCG，用AGT替換每一個TCA（同樣是絲氨酸），用TAA替換了每一個TAG（表示停止的密碼子），總共替換了18 214個。秦發現的編碼方案可讓大腸桿菌存活并茁壯成長，盡管他使用了59個密碼子而不是自然界的61個來合成所有的20種氨基酸，并使用了兩個密碼子而不是自然界的3個來發出終止信號。

倫敦帝國理工學院合成生物學專家湯姆·埃利斯（Tom Ellis）說：“他們創造了一種不使用自然界其他生物使用的三種密碼子的菌株。”埃利斯為《自然》雜志審閱了這篇論文。“即使沒有自然合成的所有模塊，生命仍然有可能誕生。”他說。秦用密碼子的數量將他的創造物命名為Syn61。

這是一個前所未有的壯舉嗎？

合成生物學因重新編碼而變得狂熱起來。2013年，丘奇領導的科學家團隊用UAA取代了大腸桿菌所有321個UAG終止密碼子，創造出了只有63個密碼子存活下來的生物體，盡管不是通過基因組合成這一途徑。3年后，丘奇的實驗室更進一步，用同義密碼子替換了7個冗余密碼子，但只是大腸桿菌基因組的一小部分。Syn61的重新編碼比之前的嘗試都走得更遠，這個重新編碼是建立在秦2016年一項研究基礎上的，在這項研究中他已經對Syn61的重新編碼方案進行了規劃。在整個基因組中丟棄3個密碼子后，它所產生的變化是以往任何基因組重新編碼的數百倍。

為什么說這是一項了不起的成就？

“重新編碼是對生命規則的挑戰。通過重新編碼一個基因組，我們可以挑戰大自然賦予的極限，看是否能以不同的方式做到這一點。”埃利斯說。

這么做有什么實際意義？

通過免除TCG原來的工作，并把它的工作交給AGC，科學家們可以賦予TCG一項新的功能：將20種氨基酸之外的自然界中數百種氨基酸中的一種編碼合成蛋白質。有了重新編碼的基因組，細胞可能能夠合成新的酶和其他蛋白質。

“大自然給了我們所有這些酶，它們可以完成所有這些新任務，”埃利斯說，從制作奶酪到提取果汁，生產生物燃料和工業化學品，以及在醫學測試中檢測生物標志物，“這僅僅來自20種氨基酸。想想看，如果有了22個或更多的氨基酸，我們可以做更多超乎想象的事情。在醫藥、食品生產和工業領域，合成制造各種新化學品的潛力將是十分巨大的?！?/p>

此外，正如丘奇所說，Syn61可能不受病毒影響，重新編碼的基因組可能也不會受病毒影響。這也增加了重新編碼細菌基因組的可能性，從制藥到食品，細菌的基因組可被用于制造各種各樣的東西，病毒感染每年對這些產業造成了數百萬美元的損失。

新的研究達到預期目標了嗎？

目前還沒有，但有人會做到的。波士頓大學化學家阿布舍克·查特吉（Abhishek Chatterjee）博士說道：“取得的關鍵性進展使未來研究成為可能。”他最近讓大腸桿菌將非天然氨基酸加入到它所產生的蛋白質中，盡管不是通過Syn61型重新編碼?！斑@為細菌合成生物化學物質開辟了全新的可能性?！辈樘丶f。這也使得GP-write計劃的設想看起來更具可行性。“我們看到，在編寫基因組的標準策略上將趨于一致?！鼻鹌嬲f，“秦的研究，包括病毒耐藥性研究在內，將極大地鼓舞GP-write計劃的其他成員，他們一直致力于通過這種重新編碼的方法使許多生物體——工業微生物、植物、動物和人類細胞——對所有病毒都具有抵抗力。”