Science重要成果：重寫全基因組

日期：2013-10-21 10:20:18

在發(fā)表于最新一期《科學(xué)》（Science）雜志上的兩項(xiàng)平行研究中，研究人員在大腸桿菌中構(gòu)建出了新的基因組，由此測(cè)試了遺傳編程的極限，并為提高生物技術(shù)的靈活性、產(chǎn)率和安全性開辟了新的可能性。

在第一項(xiàng)研究中，研究者們采用同義的UAA密碼子，替換了大腸桿菌整個(gè)基因組中的所有321個(gè)特異的UAG密碼子，這使得釋放因子1（RF1）被敲除，并重新定義了UAG的翻譯功能。由此使得細(xì)菌生成了自然界通常不存在的蛋白質(zhì)，提高了對(duì)病毒的抵抗力。

在第二項(xiàng)研究中，研究人員移除了42個(gè)大腸桿菌基因的13種不同的密碼子，每個(gè)基因采用一種不同的大腸桿菌，并用其他具有相同功能的密碼子取代了它們。當(dāng)研究人員這樣做時(shí)，42個(gè)靶基因的24%的DNA發(fā)生了改變，而這些基因生成了與原始基因生成的相同的蛋白質(zhì)。

哈佛醫(yī)學(xué)院George Church實(shí)驗(yàn)室研究生Marc Lajoie說：“第一篇論文是說，我們可以完全從基因組中移除一種密碼子，然后成功地重新指定它的功能。在第二項(xiàng)研究中，我們提出了這樣的問題“好吧，我們已經(jīng)改變了這一密碼子，我們還能夠改變多少其他的密碼子？該研究所選擇的13種密碼子，全部都能夠被改變。”

“這為我們揭開了一種可能性：我們有可能能夠替換整個(gè)基因組所有這13種密碼子或是其中任何一個(gè)，”Lajoie說。

朝著更安全，更多產(chǎn)，更靈活的生物技術(shù)

重新編碼的基因組可以為大腸桿菌提供保護(hù)對(duì)抗病毒，并幫助防止將潛在危險(xiǎn)的遺傳改造性狀傳播給野生型生物。

第一篇論文的共同資深作者、耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子、細(xì)胞和發(fā)育生物學(xué)助理教授Farren Isaacs說：“這些結(jié)果有可能為生物技術(shù)生成打開了一個(gè)全新的化學(xué)工具箱。例如，添加持久聚合物到一種治療分子中，有可能使得它能夠在人類血流中更長(zhǎng)時(shí)間發(fā)揮功能。但要獲得這樣的影響，需要一次改變大片的基因組。”

Church說：“如果我們做出少許的改變，使得微生物略微更具抗病毒能力，病毒將會(huì)抵消這一效應(yīng)。它變成了一個(gè)來回反復(fù)的斗爭(zhēng)。但如果我們能夠讓微生物脫機(jī)，生成大量的改變，當(dāng)我們將它帶回展示于病毒面前時(shí)，病毒將會(huì)說‘我投降’。任何的天然病毒群產(chǎn)生再多的多樣性，也不足以抵消這一極其全新的基因組。”

在第一項(xiàng)研究中，僅移除了一個(gè)密碼子，就提高了基因組重編碼生物體的抗病毒感染力。Church說，相同潛力的“全新基因組”不可能操控基因轉(zhuǎn)而進(jìn)入到野生種群，因?yàn)樗鼈兣c自然基因組不相容。這對(duì)于遺傳改造耐藥或抗殺蟲劑的菌株具有極大的益處。并且，整合的罕見、非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸確保了菌株只能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中存活。