Nature: 生命密碼新字典！大腸桿菌基因組就這樣被改寫了

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作者：蘇煜靜來源：生物探索

2019-05-17

在倫敦郊外Jason Chin的實(shí)驗(yàn)室中，一群大腸桿菌在撒有營(yíng)養(yǎng)的肉湯的塑料小盤子里快樂地吃喝、幸福地繁殖、自由地呼吸著，它們看上去很普通。

在倫敦郊外Jason Chin的實(shí)驗(yàn)室中，一群大腸桿菌在撒有營(yíng)養(yǎng)的肉湯的塑料小盤子里快樂地吃喝、幸福地繁殖、自由地呼吸著，它們看上去很普通。但它們與地球上的其他生物有著本質(zhì)的不同?？茖W(xué)家們對(duì)這群大腸桿菌的基因進(jìn)行了重新編輯，獲得了有史以來最廣泛的“重新編碼”基因組。

英國(guó)劍橋MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的JasonChin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，只用59個(gè)密碼子就合成出所有的必需氨基酸。該研究近日發(fā)表在《Nature》雜志上。哈佛大學(xué)生物學(xué)家George Church評(píng)價(jià)說：“這是一個(gè)重大的里程碑。”

自然界的密碼本

眾所周知，雖然自然生物擁有著不同的形態(tài)特征，但生物遺傳信息卻是由同一套的DNA遺傳密碼來傳遞的。組成DNA的核苷酸含有A、T、G、C四種堿基，每含有三個(gè)堿基的核苷酸構(gòu)成一個(gè)“密碼子”編寫一個(gè)特定的氨基酸。

排列出64種密碼子構(gòu)成生物的基礎(chǔ)。然而，一種氨基酸對(duì)應(yīng)的密碼子不止一個(gè)，如果冗余的同義密碼子可以得到替換，那么天然蛋白質(zhì)的合成就可以通過替換生物體內(nèi)“多余”密碼子來實(shí)現(xiàn)。

有史以來的基因組合成

JasonChin教授與其同事創(chuàng)造了一個(gè)4M字節(jié)的合成基因組的大腸桿菌變種。合成基因組優(yōu)化和重構(gòu)了編碼方案：只需在七個(gè)位置進(jìn)行簡(jiǎn)單的修正就可以替換基因組中所有已知的兩個(gè)有意密碼子和一個(gè)終止密碼子。

研究人員重新編碼了18214個(gè)密碼子，創(chuàng)造了一個(gè)擁有61種密碼子基因組的生物體。這種生物使用59種密碼子來編碼20種基本氨基酸，并能夠刪除以前必不可少的核糖體RNA (tRNA)。

如何重新編碼？

就像是平時(shí)在全文里把特定詞組替換成同義詞一樣，生物體基因組的重新編碼也是如此。鑒于生物基因組中擁有龐大的堿基對(duì)，為了實(shí)現(xiàn)高效替換，科學(xué)家們采用了一種巧妙的拆解和替換方法。

他們先把大腸桿菌分解為長(zhǎng)度10kb左右的小片段。接著找出基因組開放閱讀框中的TAG密碼子，全部替換為同樣表達(dá)終止的TAA（一般而言TAA、TAG和TGA都代表終止信號(hào)）。在編碼必需氨基酸時(shí)，用AGC替換了每一個(gè)編碼絲氨酸密碼子TCG，用AGT替換了每一個(gè)TCA (同樣編碼絲氨酸)。

Chin把改編過的大腸桿菌稱為“Syn61”，因?yàn)檫@些細(xì)菌中的三個(gè)目標(biāo)密碼子全部被同義密碼子取代僅使用了61種密碼子。倫敦帝國(guó)理工學(xué)院合成生物學(xué)專家Tom Ellis在審閱完這篇論文說：“他們創(chuàng)造了一種不使用自然界其他三種密碼子的菌株。在未用到全部生物模塊的情況下，生命依舊存在。”

值得注意的是，重新編碼的基因組可能不受病毒影響。正如George Church所說，Syn61可能不受病毒影響。從制藥到食品，每年因病毒感染而造成的工業(yè)損失達(dá)到數(shù)百萬(wàn)美元，重新編碼細(xì)菌基因組則有望大大降低這一損失。

參考資料：

[1]Totalsynthesis of Escherichia coli with a recoded genome

[2]With a ‘recoded’ bacteria genome made from scratch, scientists give life a newdictionary

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