生命新詮釋：重新編碼細(xì)菌基因組

編譯 秦雪

Syn61是在瓊脂平板上培養(yǎng)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(xì)菌在撒有營養(yǎng)液體培養(yǎng)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(zhì)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(yī)學(xué)研究委員會分子生物學(xué)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(xué)生物學(xué)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(xué)家對合成生物學(xué)領(lǐng)域內(nèi)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(xué)家把從供應(yīng)商那里訂購的DNA構(gòu)建塊結(jié)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(xué)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(shù)百萬或數(shù)十億個DNA字母或堿基的序列。)

2010年，遺傳學(xué)先驅(qū)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(xué)家使用GP-write已經(jīng)合成了構(gòu)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(tuán)隊將其切成37個片段并合成了它們，這個過程他很理所當(dāng)然地稱之為“創(chuàng)世起源”。

什么是基因重新編碼？

本質(zhì)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(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸。例如，TCA指定的絲氨酸，意思是“從細(xì)胞湯中提取氨基酸并將其附著到細(xì)胞正在制造的蛋白質(zhì)上”；AAG指定的是賴氨酸；TAA的意思是停止向生長中的蛋白質(zhì)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(fā)明的任何東西都有雙重用途，但重要的是：我們在討論應(yīng)該做什么和不應(yīng)該做什么。這些實驗都是在嚴(yán)格控制下進(jìn)行的?！?/p>

——賈森·秦

秦是如何實現(xiàn)重新編碼的？

他和他的團(tuán)隊系統(tǒng)地用AGC替換了每一個發(fā)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(fā)現(xiàn)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(fā)出終止信號。

倫敦帝國理工學(xué)院合成生物學(xué)專家湯姆·埃利斯（Tom Ellis）說：“他們創(chuàng)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?！卑＠篂椤蹲匀弧冯s志審閱了這篇論文?！凹词箾]有自然合成的所有模塊，生命仍然有可能誕生?！彼f。秦用密碼子的數(shù)量將他的創(chuàng)造物命名為Syn61。

這是一個前所未有的壯舉嗎？

合成生物學(xué)因重新編碼而變得狂熱起來。2013年，丘奇領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊用UAA取代了大腸桿菌所有321個UAG終止密碼子，創(chuàng)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(jìn)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(yuǎn)，這個重新編碼是建立在秦2016年一項研究基礎(chǔ)上的，在這項研究中他已經(jīng)對Syn61的重新編碼方案進(jìn)行了規(guī)劃。在整個基因組中丟棄3個密碼子后，它所產(chǎn)生的變化是以往任何基因組重新編碼的數(shù)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(guī)則的挑戰(zhàn)。通過重新編碼一個基因組，我們可以挑戰(zhàn)大自然賦予的極限，看是否能以不同的方式做到這一點?！卑＠拐f。

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(xué)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(shù)百種氨基酸中的一種編碼合成蛋白質(zhì)。有了重新編碼的基因組，細(xì)胞可能能夠合成新的酶和其他蛋白質(zhì)。

“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(wù)，”埃利斯說，從制作奶酪到提取果汁，生產(chǎn)生物燃料和工業(yè)化學(xué)品，以及在醫(yī)學(xué)測試中檢測生物標(biāo)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(yī)藥、食品生產(chǎn)和工業(yè)領(lǐng)域，合成制造各種新化學(xué)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(xì)菌基因組的可能性，從制藥到食品，細(xì)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(chǎn)業(yè)造成了數(shù)百萬美元的損失。

新的研究達(dá)到預(yù)期目標(biāo)了嗎？

目前還沒有，但有人會做到的。波士頓大學(xué)化學(xué)家阿布舍克·查特吉（Abhishek Chatterjee）博士說道：“取得的關(guān)鍵性進(jìn)展使未來研究成為可能?！彼罱尨竽c桿菌將非天然氨基酸加入到它所產(chǎn)生的蛋白質(zhì)中，盡管不是通過Syn61型重新編碼?！斑@為細(xì)菌合成生物化學(xué)物質(zhì)開辟了全新的可能性。”查特吉說。這也使得GP-write計劃的設(shè)想看起來更具可行性。“我們看到，在編寫基因組的標(biāo)準(zhǔn)策略上將趨于一致。”丘奇說，“秦的研究，包括病毒耐藥性研究在內(nèi)，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(yè)微生物、植物、動物和人類細(xì)胞——對所有病毒都具有抵抗力。”