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人工基因组合成大肠杆菌

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-06-21  来源:中广集团  浏览次数:38
核心提示:有史以来第一次,科学家创造出了一个纯粹人造基因组的生物体,这标志着人类实现了自然界遗传密码的彻底重新编写。根据《自然》杂
 有史以来第一次,科学家创造出了一个纯粹人造基因组的生物体,这标志着人类实现了自然界遗传密码的彻底重新编写。


根据《自然》杂志5月16日发布的最新论文显示,英国剑桥大学MRC分子生物学实验室的贾森·钦(Jason Chin)教授与其同事重新编码了一个大肠杆菌菌株的全部基因组。


研究人员表示,他们已经用实验室合成的完整基因组副本替换了大肠杆菌的所有基因,这是朝着创造细菌迈出的重要一步。研究人员介绍,这些细菌通过基因改造,可以制成特定的聚合物等材料,并为在未来添加病毒抗性等新特性的生物制造铺平了道路。


超过1.8万次编辑,进行基因组内的“查找替换”


据《卫报》介绍,此次合成的人工基因组包含400万对碱基对,这些碱基对是由字母G、A、T和C组成的遗传密码单位构成。这些碱基对全部打印在A4纸上,长达970页,是迄今为止科学家们构建的最大基因组。


“之前我们完全不确定,是否有可能让一个基因组变得如此之大,以及是否有可能对它进行如此大的改变。”领导该项目的合成生物学专家贾森·钦(Jason Chin)表示。


从水母到人类,几乎所有的生命都使用64个密码子。但实际上,这些密码子中有一部分发挥着相同的作用。这64个密码子中,有61个密码子产生20种天然氨基酸,这些氨基酸可以像串珠一样串在一起,形成自然界中的任何蛋白质,另外3个密码子实际上是停止信号。


因此,剑桥大学的研究小组着手重新设计大肠杆菌基因组的主要工作,就是去除其中一些“多余”的密码子。科学家们仔细检查了这种细菌的DNA,每当他们遇到TCG,即产生一种叫做丝氨酸的氨基酸的密码子,他们就把它重写为AGC,他们以类似的方式替换了另外两个密码子,等于进行了一种“同义词替换”的改写。


在超过18000次的编辑之后,科学家们已经从这种细菌的基因组中删除了这三个密码子的每一次出现,这意味着,重新合成的大肠杆菌只有61个密码子,而不是通常的64个。


在此之后,重新设计的遗传密码然后开始化学合成,一块一块地添加到大肠杆菌中,取代了有机体的自然基因组,一种微生物的DNA编码就此完全合成,并发生了根本性的改变。


这种名为Syn61的病毒比正常病毒稍长一些,生长速度也慢一些,但仍然存活了下来。


设计生命形式的重大利好:未来或用于生物制药


贾森·钦教授相信,这样的设计生命形式迟早会派上用场。


由于大肠杆菌和普通细菌的DNA不同,入侵病毒将难以在体内传播,使它们实际上具有了抗病毒能力,而这可能带来重大利好。因为目前,大肠杆菌已经被生物制药工业用于制造治疗糖尿病的胰岛素和其他治疗癌症、多发性硬化症、心脏病和眼科疾病的药物,但当细菌培养物被病毒或其他微生物污染时,整个生产过程可能会被破坏,而这种经过重组的细菌就能够避免这些问题。


这还不是全部——在未来的工作中,这些被解放的基因代码可以被重新利用,使细胞大量生产蛋白质和药物。


“因此,这一成功在一方面是技术成就,另一方面也向人类展示了生物学的一些本质特性,以及遗传密码具有多大的可塑性。”贾森·钦教授表示,解码大肠杆菌基因组意味着,代码中未使用的部分现在可以被用于其他作用。


而至于生物学本质特性的问题,贾森·钦表示,自从20世纪60年代起,当科学家们第一次破解这个密码时,人们就一直不清楚为什么它会以这样的方式工作——有这么多的可能性,为什么偏偏是这样的一种方式?


1968年,DNA化学结构的共同发现者弗朗西斯·克里克认为,一旦基本生命形式进化出来,三重密码就会被锁定,因为任何偏离通用程序的行为都将是一个巨大的劣势。


“但是,通过移除密码子,我们正在打破这种共同的语言,我们正在解冻代码。”贾森·钦说。


科学家正在尝试用更多编码变化制造细菌基因组


实际上,前两次合成细菌基因组是2008年和2010年在J.克雷格文特尔研究所(J. Craig Venter Institute)创建的。


第一次进行合成的细菌名为支原体,其基因组比大肠杆菌要小,大约只有100万对碱基对,而且,在这次试验中,并没有进行彻底的重新设计。因此,此次剑桥大学科学家合成的大肠杆菌基因组的大小是它们的四倍,创造了新的纪录。


美国研究集团克莱德·哈奇森(Clyde Hutchison)在评论这次最新成果时表示:“这种基因组置换规模,比迄今报道的任何完整基因组置换规模都要大。”


伦敦帝国理工学院(Imperial College London)合成生物学研究员汤姆·埃利斯(Tom Ellis)表示:“他们将合成基因组学领域提升到了一个新的水平,不仅成功构建了迄今为止最大的合成基因组,而且对基因组的编码变化也达到了迄今为止的最高水平。”


但这些纪录可能不会持续太久——目前,埃利斯和其他人正在为面包酵母构建一个合成基因组,除此之外,哈佛大学的科学家们也正在用更多的编码变化来制造细菌基因组。

 

编辑:songjiajie2010

 
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