根據(jù)《自然》雜志5月16日發(fā)布的最新論文顯示，英國(guó)劍橋大學(xué)MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的賈森·欽（Jason Chin）教授與其同事重新編碼了一個(gè)大腸桿菌菌株的全部基因組。

研究人員表示，他們已經(jīng)用實(shí)驗(yàn)室合成的完整基因組副本替換了大腸桿菌的所有基因，這是朝著創(chuàng)造細(xì)菌邁出的重要一步。研究人員介紹，這些細(xì)菌通過基因改造，可以制成特定的聚合物等材料，并為在未來添加病毒抗性等新特性的生物制造鋪平了道路。

超過1.8萬次編輯，進(jìn)行基因組內(nèi)的“查找替換”

據(jù)《衛(wèi)報(bào)》介紹，此次合成的人工基因組包含400萬對(duì)堿基對(duì)，這些堿基對(duì)是由字母G、A、T和C組成的遺傳密碼單位構(gòu)成。這些堿基對(duì)全部打印在A4紙上，長(zhǎng)達(dá)970頁(yè)，是迄今為止科學(xué)家們構(gòu)建的最大基因組。

“之前我們完全不確定，是否有可能讓一個(gè)基因組變得如此之大，以及是否有可能對(duì)它進(jìn)行如此大的改變。”領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目的合成生物學(xué)專家賈森·欽(Jason Chin)表示。

從水母到人類，幾乎所有的生命都使用64個(gè)密碼子。但實(shí)際上，這些密碼子中有一部分發(fā)揮著相同的作用。這64個(gè)密碼子中，有61個(gè)密碼子產(chǎn)生20種天然氨基酸，這些氨基酸可以像串珠一樣串在一起，形成自然界中的任何蛋白質(zhì)，另外3個(gè)密碼子實(shí)際上是停止信號(hào)。

因此，劍橋大學(xué)的研究小組著手重新設(shè)計(jì)大腸桿菌基因組的主要工作，就是去除其中一些“多余”的密碼子。科學(xué)家們仔細(xì)檢查了這種細(xì)菌的DNA，每當(dāng)他們遇到TCG，即產(chǎn)生一種叫做絲氨酸的氨基酸的密碼子，他們就把它重寫為AGC，他們以類似的方式替換了另外兩個(gè)密碼子，等于進(jìn)行了一種“同義詞替換”的改寫。

在超過18000次的編輯之后，科學(xué)家們已經(jīng)從這種細(xì)菌的基因組中刪除了這三個(gè)密碼子的每一次出現(xiàn)，這意味著，重新合成的大腸桿菌只有61個(gè)密碼子，而不是通常的64個(gè)。

在此之后，重新設(shè)計(jì)的遺傳密碼然后開始化學(xué)合成，一塊一塊地添加到大腸桿菌中，取代了有機(jī)體的自然基因組，一種微生物的DNA編碼就此完全合成，并發(fā)生了根本性的改變。

這種名為Syn61的病毒比正常病毒稍長(zhǎng)一些，生長(zhǎng)速度也慢一些，但仍然存活了下來。

設(shè)計(jì)生命形式的重大利好：未來或用于生物制藥

賈森·欽教授相信，這樣的設(shè)計(jì)生命形式遲早會(huì)派上用場(chǎng)。

由于大腸桿菌和普通細(xì)菌的DNA不同，入侵病毒將難以在體內(nèi)傳播，使它們實(shí)際上具有了抗病毒能力，而這可能帶來重大利好。因?yàn)槟壳埃�大腸桿菌已經(jīng)被生物制藥工業(yè)用于制造治療糖尿病的胰島素和其他治療癌癥、多發(fā)性硬化癥、心臟病和眼科疾病的藥物，但當(dāng)細(xì)菌培養(yǎng)物被病毒或其他微生物污染時(shí)，整個(gè)生產(chǎn)過程可能會(huì)被破壞，而這種經(jīng)過重組的細(xì)菌就能夠避免這些問題。

這還不是全部——在未來的工作中，這些被解放的基因代碼可以被重新利用，使細(xì)胞大量生產(chǎn)蛋白質(zhì)和藥物。

“因此，這一成功在一方面是技術(shù)成就，另一方面也向人類展示了生物學(xué)的一些本質(zhì)特性，以及遺傳密碼具有多大的可塑性。”賈森·欽教授表示，解碼大腸桿菌基因組意味著，代碼中未使用的部分現(xiàn)在可以被用于其他作用。

而至于生物學(xué)本質(zhì)特性的問題，賈森·欽表示，自從20世紀(jì)60年代起，當(dāng)科學(xué)家們第一次破解這個(gè)密碼時(shí)，人們就一直不清楚為什么它會(huì)以這樣的方式工作——有這么多的可能性，為什么偏偏是這樣的一種方式?

1968年，DNA化學(xué)結(jié)構(gòu)的共同發(fā)現(xiàn)者弗朗西斯·克里克認(rèn)為，一旦基本生命形式進(jìn)化出來，三重密碼就會(huì)被鎖定，因?yàn)槿魏纹�離通用程序的行為都將是一個(gè)巨大的劣勢(shì)。

“但是，通過移除密碼子，我們正在打破這種共同的語言，我們正在解凍代碼。”賈森·欽說。

科學(xué)家正在嘗試用更多編碼變化制造細(xì)菌基因組

實(shí)際上，前兩次合成細(xì)菌基因組是2008年和2010年在J.克雷格文特爾研究所(J. Craig Venter Institute)創(chuàng)建的。

第一次進(jìn)行合成的細(xì)菌名為支原體，其基因組比大腸桿菌要小，大約只有100萬對(duì)堿基對(duì)，而且，在這次試驗(yàn)中，并沒有進(jìn)行徹底的重新設(shè)計(jì)。因此，此次劍橋大學(xué)科學(xué)家合成的大腸桿菌基因組的大小是它們的四倍，創(chuàng)造了新的紀(jì)錄。

美國(guó)研究集團(tuán)克萊德·哈奇森(Clyde Hutchison)在評(píng)論這次最新成果時(shí)表示:“這種基因組置換規(guī)模，比迄今報(bào)道的任何完整基因組置換規(guī)模都要大。”

倫敦帝國(guó)理工學(xué)院(Imperial College London)合成生物學(xué)研究員湯姆·埃利斯(Tom Ellis)表示:“他們將合成基因組學(xué)領(lǐng)域提升到了一個(gè)新的水平，不僅成功構(gòu)建了迄今為止最大的合成基因組，而且對(duì)基因組的編碼變化也達(dá)到了迄今為止的最高水平。”

但這些紀(jì)錄可能不會(huì)持續(xù)太久——目前，埃利斯和其他人正在為面包酵母構(gòu)建一個(gè)合成基因組，除此之外，哈佛大學(xué)的科學(xué)家們也正在用更多的編碼變化來制造細(xì)菌基因組。