Science重要成果：重写全基因组
美国耶鲁大学和哈佛大学的科学家合作,为一种细菌重新编写了完整的基因组编码,并提高了其抗病毒能力。“这是第一次从根本上改变了遗传密码。”论文共同高级作者、耶鲁大学分子、细胞与发育生物学副教授法伦·艾萨克斯说,“创造一个有着新基因编码的生物,这让我们能利用许多强有力的方法来扩展生物功能的范围。”
研究人员改变了生物学的基本规则,探索能否替换自然生物的某些密码子或整个基因组字母,然后再引入全新字母创造出自然界没有的氨基酸。实验中,研究人员替换了大肠杆菌的一个密码子,删除了其本身固有的停止标记,该停止标记可终止蛋白质合成。他们将“停止”密码子进行了修改,使之编码了一种新型氨基酸,并以“即插”方式插入到基因组中。新基因组能限制病毒用来感染细胞的一种天然蛋白质的生产,从而让细菌拥有了抵抗病毒感染的能力。这个研究标志着人们首次能改变一个生物整个基因组的全部基因编码。
艾萨克斯说,此项研究为把重编码细菌变成“活制造厂”搭建了广阔舞台,以生物制造方式创造出新型“特异”蛋白质和高分子聚合物,而这些新型分子为新一代材料设计、纳米结构、治疗方法及药物递送工具奠定了基础。“由于基因编码是通用,这项研究也为重新编程其他生物的基因组带来了光明前景,并对生物技术行业带来巨大影响,可能开辟出全新的研究与应用之路。”
在发表于最新一期《科学》（Science）杂志上的两项平行研究中，研究人员在大肠杆菌中构建出了新的基因组，由此测试了遗传编程的极限，并为提高生物技术的灵活性、产率和安全性开辟了新的可能性。
在第一项研究中，研究者们采用同义的UAA密码子，替换了大肠杆菌整个基因组中的所有321个特异的UAG密码子，这使得释放因子1（RF1）被敲除，并重新定义了UAG的翻译功能。由此使得细菌生成了自然界通常不存在的蛋白质，提高了对病毒的抵抗力。
在第二项研究中，研究人员移除了42个大肠杆菌基因的13种不同的密码子，每个基因采用一种不同的大肠杆菌，并用其他具有相同功能的密码子取代了它们。当研究人员这样做时，42个靶基因的24%的DNA发生了改变，而这些基因生成了与原始基因生成的相同的蛋白质。
哈佛医学院GeorgeChurch实验室研究生MarcLajoie说：“第一篇论文是说，我们可以完全从基因组中移除一种密码子，然后成功地重新指定它的功能。在第二项研究中，我们提出了这样的问题‘好吧，我们已经改变了这一密码子，我们还能够改变多少其他的密码子？该研究所选择的13种密码子，全部都能够被改变。”
“这为我们揭开了一种可能性：我们有可能能够替换整个基因组所有这13种密码子或是其中任何一个，”Lajoie说。
朝着更安全，更多产，更灵活的生物技术
重新编码的基因组可以为大肠杆菌提供保护对抗病毒，并帮助防止将潜在危险的遗传改造性状传播给野生型生物。
第一篇论文的共同资深作者、耶鲁大学医学院分子、细胞和发育生物学助理教授FarrenIsaacs说：“这些结果有可能为生物技术生成打开了一个全新的化学工具箱。例如，添加持久聚合物到一种治疗分子中，有可能使得它能够在人类血流中更长时间发挥功能。但要获得这样的影响，需要一次改变大片的基因组。”
Church说：“如果我们做出少许的改变，使得微生物略微更具抗病毒能力，病毒将会抵消这一效应。它变成了一个来回反复的斗争。但如果我们能够让微生物脱机，生成大量的改变，当我们将它带回展示于病毒面前时，病毒将会说‘我投降’。任何的天然病毒群产生再多的多样性，也不足以抵消这一极其全新的基因组。”
在第一项研究中，仅移除了一个密码子，就提高了基因组重编码生物体的抗病毒感染力。Church说，相同潜力的“全新基因组”不可能操控基因转而进入到野生种群，因为它们与自然基因组不相容。这对于遗传改造耐药或抗杀虫剂的菌株具有极大的益处。并且，整合的罕见、非标准氨基酸确保了菌株只能在实验室环境中存活。
（生物通：何嫱）
