????2019年5月16日(農(nóng)歷2019年4月12日)，第一個完全合成且徹底改變DNA密碼的生物誕生。
北京時間5月16日，發(fā)表在《Nature》上的一項研究顯示，英國劍橋大學(xué)的科學(xué)家已經(jīng)在實驗室成功創(chuàng)造了世界上第一個完全合成并且徹底改變DNA密碼的生命體。它是普遍存在于土壤和人類腸道中的大腸桿菌(Escherichia coli)，與其天然近親相似，但依靠一套較小的遺傳指令存活。
這種細(xì)菌的存在證明，生命可以存在于有限的遺傳密碼中，并為生物合成藥物、材料，或添加病毒抗性等新特性鋪平了道路。
劍橋大學(xué)分子生物學(xué)實驗室的研究人員經(jīng)過兩年的努力，讀取并重新設(shè)計了大腸桿菌的DNA，然后用經(jīng)過改造基因組的合成版本創(chuàng)建了細(xì)胞。
人工基因組包含400萬個堿基對，遺傳密碼由字母G、A、T和C組成。這些堿基對如果全部在A4紙上完整打印，將長達(dá)970頁。這是迄今為止科學(xué)家們構(gòu)建的最大基因組。
領(lǐng)導(dǎo)該項目的合成生物學(xué)專家Jason Chin說：“我們完全不清楚，是否有可能讓一個基因組變得如此之大，以及是否有可能對其進(jìn)行這么大的改變?！?/p>
在細(xì)胞內(nèi)盤繞的DNA保存著細(xì)胞運作所需的指令。例如，當(dāng)細(xì)胞需要更多的蛋白質(zhì)來生長時，它會讀取編碼正確蛋白質(zhì)的DNA。DNA字母由三個稱為密碼子的三元組組成，如TCG和TCA。
從水母到人類，幾乎所有的生命都使用64個密碼子，但他們中的許多都做著同樣的工作?？偣灿?1個密碼子產(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，構(gòu)建出自然界中的各種蛋白質(zhì)。另外3個密碼子實際上是停止信號，它們告訴細(xì)胞蛋白質(zhì)什么時候完成了，就像句子末尾的句號一樣。
新的合成生物Escherichia coli Syn61
該研究團(tuán)隊通過移除一些多余的密碼子來重新設(shè)計大腸桿菌的基因組。他們在計算機上工作時，仔細(xì)檢查了大腸桿菌的DNA。每當(dāng)遇到TCG(一種制造絲氨酸的氨基酸密碼子)時，他們就把它改寫成AGC，以此類推，他們系統(tǒng)地替換了另外兩個密碼子。
圖片來源：《Nature》
在18218次編輯后，科學(xué)家們已經(jīng)從這種細(xì)菌的基因組中刪除了每一次出現(xiàn)的三個密碼子。重新設(shè)計的遺傳密碼隨后被化學(xué)合成，并被一段段地添加到大腸桿菌中，取代了其天然的基因組。科學(xué)家們表示，它是一種具有完全合成和徹底改變的DNA密碼的微生物。這種名為Syn61的合成生物比正常體稍長，生長速度也慢一些，但仍然存活了下來。
Chin說：“這真是太不可思議了!當(dāng)這種細(xì)菌在圣誕節(jié)前不久被創(chuàng)造出來的時候，研究團(tuán)隊在實驗室里拍了一張照片，照片中以一盤微生物為中心人物，重現(xiàn)了耶穌誕生的場景。”
Chin認(rèn)為，這樣的設(shè)計生命形式遲早會派上用場。由于它們的DNA不同，入侵的病毒將難以在其體內(nèi)傳播，使它們實際上具有抗病毒的能力。如今，大腸桿菌已被生物制藥行業(yè)用來制造糖尿病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化合物。但當(dāng)細(xì)菌培養(yǎng)物受到病毒或其他微生物的污染時，整個生產(chǎn)過程可能會遭受到破壞。但這還不是全部，未來的工作中，這些釋放出來的遺傳密碼可能會被重新利用，以使細(xì)胞大量生產(chǎn)設(shè)計酶、蛋白質(zhì)和藥物。
2010年，美國科學(xué)家宣布創(chuàng)造出世界上第一個合成基因組的生物體。這種名為生殖支原體的細(xì)菌，其基因組比大腸桿菌要小，大約有100萬個堿基對，而且沒有進(jìn)行徹底的重新設(shè)計。
圖片來源：《Science》
該美國研究團(tuán)隊的Clyde Hutchison在評論這項最新工作時表示，這種基因組置換的規(guī)模比迄今報道的任何一個完整的基因組都要大。
倫敦帝國理工學(xué)院合成生物學(xué)研究員Tom Ellis表示：“這項研究將合成基因組學(xué)領(lǐng)域提升到了一個新的水平，不僅成功構(gòu)建了迄今為止最大的合成基因組，而且編碼變化也達(dá)到了迄今為止的最高水平?！?/p>
但這些紀(jì)錄可能不會維持太久。 Ellis和其他科學(xué)家正在為面包酵母構(gòu)建一個合成基因組，而哈佛大學(xué)的科學(xué)家正在制造更多編碼變化的細(xì)菌基因組。Ellis補充說：“重新設(shè)計的大腸桿菌不能像自然菌株那樣生長并不令人驚訝。如果說有什么讓人嘆為觀止的，那就是在經(jīng)歷了如此多變化后，它竟然還在增長?！?/p>
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