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2019年5月16日 (2019年4月12日)

第一個完全合成的生物誕生

    2019-05-25

    2019年5月16日(農歷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。

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,發表在《Nature》上的一項研究顯示,英國劍橋大學的科學家已經在實驗室成功創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。

第一個完全合成且徹底改變DNA密碼的生物誕生

  這種細菌的存在證明,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。

  劍橋大學分子生物學實驗室的研究人員經過兩年的努力,讀取并重新設計了大腸桿菌的DNA,然后用經過改造基因組的合成版本創建了細胞。

  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970頁。這是迄今為止科學家們構建的最大基因組。

  領導該項目的合成生物學專家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行這么大的改變。”

  在細胞內盤繞的DNA保存著細胞運作所需的指令。例如,當細胞需要更多的蛋白質來生長時,它會讀取編碼正確蛋白質的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。總共有61個密碼子產生20種天然氨基酸。這些氨基酸可以像串珠一樣串在一起,構建出自然界中的各種蛋白質。另外3個密碼子實際上是停止信號,它們告訴細胞蛋白質什么時候完成了,就像句子末尾的句號一樣。

第一個完全合成且徹底改變DNA密碼的生物誕生

  新的合成生物Escherichia coli Syn61

  該研究團隊通過移除一些多余的密碼子來重新設計大腸桿菌的基因組。他們在計算機上工作時,仔細檢查了大腸桿菌的DNA。每當遇到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,他們系統地替換了另外兩個密碼子。

第一個完全合成且徹底改變DNA密碼的生物誕生

  圖片來源:《Nature》

  在18218次編輯后,科學家們已經從這種細菌的基因組中刪除了每一次出現的三個密碼子。重新設計的遺傳密碼隨后被化學合成,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!當這種細菌在圣誕節前不久被創造出來的時候,研究團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,重現了耶穌誕生的場景。”

  Chin認為,這樣的設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用來制造糖尿病胰島素和其他治療癌癥、多發性硬化癥、心臟病和眼科疾病的藥物化合物。但當細菌培養物受到病毒或其他微生物的污染時,整個生產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,以使細胞大量生產設計酶、蛋白質和藥物。

  2010年,美國科學家宣布創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,而且沒有進行徹底的重新設計。

第一個完全合成且徹底改變DNA密碼的生物誕生

  圖片來源:《Science》

  該美國研究團隊的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。

  倫敦帝國理工學院合成生物學研究員Tom Ellis表示:“這項研究將合成基因組學領域提升到了一個新的水平,不僅成功構建了迄今為止最大的合成基因組,而且編碼變化也達到了迄今為止的最高水平。”

  但這些紀錄可能不會維持太久。 Ellis和其他科學家正在為面包酵母構建一個合成基因組,而哈佛大學的科學家正在制造更多編碼變化的細菌基因組。Ellis補充說:“重新設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,那就是在經歷了如此多變化后,它竟然還在增長。”

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