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科学家彻底改写细菌基因组
来源:中国科学报   发布者:亦云   日期:2016-08-22   今日/总浏览:2/2815


重新设计细菌微生物基因组具有深远意义。美国哈佛医学院带领的一个研究团队在19日《Science》杂志上发表论文称,他们成功改变了大肠杆菌细胞内3.8%的碱基对,使之具有不同的功能。

合成生物学家日前报告了迄今为止意义最为深远的一项细菌基因组重写结果。这一进展包括重新利用了大肠杆菌3.8%的碱基对。

研究人员在8月18日出版的美国《科学》杂志上发表了这一研究成果。

研究人员换下了大肠杆菌64个遗传密码子(为氨基酸指定遗传代码的序列)中的7个。他们如今能够通过在55个片段(每一个片段的长度为5万个碱基对)中合成脱氧核糖核酸(DNA)从而减少遗传密码子的数量。研究人员还将这些碎片组装到一个有功能的大肠杆菌中。

除此之外,由美国马萨诸塞州波士顿市哈佛医学院科学家率领的研究团队表示,这项研究是推动设计具有新属性的生物体的重要一步,例如抵抗病毒的传染性。

包括该医学院George Church在内的合成生物学家说,这项工作同时也被视为“人类基因组项目——书写”的原型——科学家打算利用该项目人工合成一个人类基因组。

Church表示:“这项研究是一个示范,表明此类彻底的再造工程是可行的。”

并未参与该项研究但之前曾与Church合作进行重编码工作的康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学合成生物学家Farren Isaacs表示:“将遗传密码子从64个减少至57个戏剧性地违背了自然界中已有的规律。”他说:“这是向前迈出的重要一步,证明了遗传密码的延展性,以及全新类型的生物功能和属性如何通过重新编码的基因组从生物体中被提取出来。”

Church的研究团队和其他科学家之前发现,在大肠杆菌中重新编码单个氨基酸是可行的,从而可以使这种细菌包含在自然界中不存在的氨基酸。这样形成的重编程生物体对病毒性感染具有高度抵抗力,这是因为它们不再含有病毒生存所需的所有自然生物体共有的遗传机制。它们的制造同时还可以完全依赖于其食物中的合成氨基酸,从而减少了对重新编码的细菌能够逃出实验室并在野外肆虐的担心。

在这项最新研究中使用的再编码技术是一个艰苦的过程,并且这仅仅在几年之前还是不可能的。在过去10年中,遗传工程以及人工合成DNA研究的迅猛发展使得更多雄心勃勃的遗传工程项目成为可能。

曾在Church实验室参与该项研究、如今在西雅图市华盛顿大学任职的合成生物学家Marc Lajoie表示:“这个项目具有前所未有的规模,这是有史以来完成的最大的完全人工合成的基因组,并且是迄今为止被引入一个基因组的最具功能性的变化。”

由加利福尼亚州拉荷亚市J. Craig Venter研究所的基因组企业家Craig Venter率领的研究团队在今年3月曾宣布,他们已经基于一个细菌基因组创建出了一个人工合成的基因组,同时去除了所有不必要的基因。但是这一生物体的基因组却比大肠杆菌小了一个数量级。

Church和他的研究团队如今正在尝试将他们的重编码大肠杆菌的DNA片段缝合到一个连续的基因组中。随后研究人员会测试这个再造的生物体是否具有生命。Church表示他并不清楚这项研究要花多长时间;他的实验室成员估计其时间可能为4个月到4年。

Isaacs表示:“这将需要巨大的努力,但它看起来是能够实现的。”(赵熙熙)

    据科学美国人网站报道,研究人员用能产生相同蛋白质的同义密码子(组成各种氨基酸的三联核苷酸序列)替代了原来大肠杆菌64个遗传密码子中的7个,合成了55个基因片段(每段由5万个碱基对组成),重新编码了大肠杆菌的基因组。经测试证明,大肠杆菌基本基因91%的功能被保留,并具有一定的适应性。但还未能将这些片段组成一个正常运作的大肠杆菌。带领该研究的哈佛医学院合成生物学家乔治·丘奇说:“这证明了从根本上重新设计细菌是可行的。”

    以往研究表明,对大肠杆菌中的单个氨基酸重新编码是可行的,因此能给他们加入一些自然界没有的氨基酸,使其拥有更强的抗病毒能力;还可以让他们只能用合成氨基酸来培养,逸出实验室就无法生存。

    研究人员指出,这一成果向设计新的生物属性迈出了重要一步,同时也可看作是人类基因组编写计划的雏形。该计划旨在合成完整的人类基因组。

    耶鲁大学纽海文分校合成生物学家法伦·艾萨克说:“将密码子从64个减少到57个,与自然界的大肠杆菌已有了很大不同,这证明通过重编基因组,从生物中提取出全新的功能和属性是可行的。”他并未参与这项计划。

    丘奇实验室研究人员马克·拉乔伊说:“这项研究的规模前所未有。这是迄今造出的最大合成基因组,也是功能上改变最大的。”

    目前,研究团队正努力把他们重新编码的大肠杆菌片段拼起来,成为一套连续的基因组,然后测试这个重新构建的生物能否有生命。丘奇说,这要花多长时间还不清楚,但据实验室成员估计,可能要4个月到4年时间。

    总编辑圈点

    生物学家有时也是生命设计师。他们为减少病毒传播重新设计了蚊子,现在又重新设计了大肠杆菌。而设计细菌的意义毫不逊色于前者,因为光我们肠道内寄生的细菌就数以万亿计,他们与人类健康息息相关。话说回来,生命如此神圣,设计生命哪能任性。对于造福人类的设计,应支持设计师们早点动手,而像设计婴儿这样有争议性的方案,咱们不妨考虑清楚再做决定。

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