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撰稿：ZS  排版：王落塵
編審：王新凱

大腸桿菌作為一種重要的模式工業(yè)微生物，在醫(yī)藥、化工、農(nóng)業(yè)等方面具有廣泛的應(yīng)用。近30年來(lái)，多種代謝工程改造的新策略和新技術(shù)，被用于設(shè)計(jì)、構(gòu)建和優(yōu)化大腸桿菌細(xì)胞工廠，極大地提高了生物法合成化學(xué)品的生產(chǎn)速率和產(chǎn)量。

不過(guò)，此前對(duì)于大腸桿菌的利用，僅局限在自然界中存在的物質(zhì)上，無(wú)法滿足人們對(duì)于化工生產(chǎn)的需求。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家一直努力改造大腸桿菌，試圖讓它按照人們的設(shè)計(jì)合成自然界中未曾出現(xiàn)的聚合物。

近日，來(lái)自英國(guó)劍橋醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)(MRC)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室 Jason W. Chin 教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，在全人工合成的大腸桿菌體內(nèi)，通過(guò)敲除相關(guān)密碼子TCG，TGA，TAG的tRNAs和釋放因子，使該菌株實(shí)現(xiàn)了對(duì)噬菌體的完美抵抗力。同時(shí)將有意義密碼子重新分配給非常規(guī)單體，實(shí)現(xiàn)了不同非常規(guī)單體的高效連續(xù)聚合以產(chǎn)生非常規(guī)雜聚物和大環(huán)化合物。

該研究以“Sense codon reassignment enables viral resistance and encoded polymer synthesis”為題，發(fā)表在最新一期的 Science 雜志上。

對(duì)此 Chin 教授表示，“全人工合成的大腸桿菌，可以允許我們按自己的需求編輯基因，用自然界中不存在的單體制造聚合物。因此，這些細(xì)菌可能會(huì)變成可再生和可編程的化工廠，生產(chǎn)各種新穎的分子。這對(duì)于生物技術(shù)以及新藥以及抗生素的合成都是非常有幫助的。”

我們都知道 DNA 中的遺傳密碼由四個(gè)堿基組成，由字母 A、T、C 和 G 表示。DNA 中的四個(gè)字母以三個(gè)字母為一組“讀取”——例如“TCG”——它們被稱為'密碼子'。

每個(gè)密碼子都告訴細(xì)胞向鏈中添加一個(gè)特定的氨基酸。每個(gè)密碼子都有一個(gè)特定的tRNA識(shí)別它，并添加相應(yīng)的氨基酸，例如：識(shí)別密碼子“TCG”的 tRNA 帶來(lái)了氨基酸絲氨酸。

四個(gè)字母三個(gè)一組，有 64 種可能的字母組合；然而，細(xì)胞通常使用的天然氨基酸只有 20 種。因此，幾個(gè)不同的密碼子可以是同義的：它們都編碼相同的氨基酸，例如：TCG、TCA、AGC 和 AGT 都編碼絲氨酸。

現(xiàn)在學(xué)界廣泛猜測(cè)如果移除某些有意義的密碼子以及相關(guān)可以讀取它們的tRNAs，可能能夠使細(xì)胞具有各種不同的性質(zhì)，包括新的抗病毒模式以及有能力編碼非常規(guī)雜聚物的生物合成。然而，這些假設(shè)仍然沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)室中被證實(shí)。

為了探索基因的奧秘，2019年，MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)為大腸桿菌創(chuàng)建了第一個(gè)從頭開始合成的全基因組。首先提取并分析了野生大腸桿菌的基因組成，分析每個(gè)基因?qū)τ诖竽c桿菌的生存意義。此后經(jīng)過(guò) 2 年的時(shí)間，研究人員重新設(shè)計(jì)并合成了大腸桿菌所需的所有基因，再使用這些重組的基因合成了首個(gè)“人造”大腸桿菌。

全新設(shè)計(jì)并合成的人工基因組大約包含 400 萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)。如果用標(biāo)準(zhǔn) A4 紙打印這些基因組，大約需要 970 頁(yè)，這是人類歷史上首次合成那么長(zhǎng)且復(fù)雜的基因組。

在經(jīng)過(guò) 18218 次編輯后，科學(xué)家們終于完成了對(duì)大腸桿菌所有基因的重新設(shè)計(jì)與合并。重新設(shè)計(jì)的堿基序列使用化學(xué)合成法合成并被一段一段地導(dǎo)入大腸桿菌內(nèi)，最終人工合成的基因組全部代替了野生型基因組，首個(gè)完全合成且徹底改變了一種 DNA 構(gòu)成的生物誕生了，其被命名為 Syn61 。

人造大腸桿菌合成非自然新型聚合物

基于之前研究的基礎(chǔ)，MRC的科學(xué)家想利用他們的新技術(shù)進(jìn)一步創(chuàng)造出第一個(gè)可以完全用自然界中沒(méi)有的結(jié)構(gòu)組裝聚合物的細(xì)胞。

在此次報(bào)道的研究中，科學(xué)家進(jìn)一步對(duì)細(xì)菌進(jìn)行了修飾，去除識(shí)別密碼子TCG和TCA的tRNA分子。這意味著，即使遺傳密碼中有TCG或TCA密碼子，細(xì)胞中也不再有能夠讀取這些密碼子的分子。

這對(duì)于任何試圖感染細(xì)胞的病毒都是致命的，因?yàn)椴《就ㄟ^(guò)將其基因組注入細(xì)胞并劫持細(xì)胞的機(jī)器來(lái)進(jìn)行復(fù)制。病毒基因組仍然包含大量 TCG、TCA 和 TAG 密碼子，但經(jīng)過(guò)修飾的細(xì)菌缺少 tRNA 來(lái)讀取這些密碼子。當(dāng)經(jīng)過(guò)修飾的細(xì)菌試圖讀取病毒基因組時(shí)，每次到達(dá) TCG、TCA 或 TAG 密碼子時(shí)都會(huì)失敗。

在這項(xiàng)研究中，研究人員用病毒混合物感染了他們的細(xì)菌。結(jié)果發(fā)現(xiàn)未經(jīng)修飾的正常細(xì)菌被病毒殺死，但經(jīng)過(guò)修飾的細(xì)菌對(duì)感染具有抵抗力并存活下來(lái)。

這一研究結(jié)果，首次在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證了科學(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)的一個(gè)猜想，即移除細(xì)胞tRNAs可能創(chuàng)造對(duì)病毒的抵抗力并使有意義密碼子發(fā)生重組。