人造大腸桿菌可實現病毒抵抗

　　大腸桿菌作為一種重要的模式工業微生物，在醫藥、化工、農業等方面具有廣泛的應用。近30年來，多種代謝工程改造的新策略和新技術，被用于設計、構建和優化大腸桿菌細胞工廠，極大地提高了生物法合成化學品的生產速率和產量。

　　不過，此前對于大腸桿菌的利用，僅局限在自然界中存在的物質上，無法滿足人們對于化工生產的需求。長期以來，科學家一直努力改造大腸桿菌，試圖讓它按照人們的設計合成自然界中未曾出現的聚合物。

　　近日，來自英國劍橋醫學研究委員會(MRC)分子生物學實驗室 Jason W. Chin 教授帶領的團隊，在全人工合成的大腸桿菌體內，通過敲除相關密碼子TCG，TGA，TAG的tRNAs和釋放因子，使該菌株實現了對噬菌體的完美抵抗力。同時將有意義密碼子重新分配給非常規單體，實現了不同非常規單體的高效連續聚合以產生非常規雜聚物和大環化合物。

　　該研究以“Sense codon reassignment enables viral resistance and encoded polymer synthesis”為題，發表在最新一期的 Science 雜志上。

　　對此 Chin 教授表示，“全人工合成的大腸桿菌，可以允許我們按自己的需求編輯基因，用自然界中不存在的單體制造聚合物。因此，這些細菌可能會變成可再生和可編程的化工廠，生產各種新穎的分子。這對于生物技術以及新藥以及抗生素的合成都是非常有幫助的。”

　　探索ATGC的秘密，重寫大腸桿菌基因組

　　我們都知道 DNA 中的遺傳密碼由四個堿基組成，由字母 A、T、C 和 G 表示。DNA 中的四個字母以三個字母為一組“讀取”——例如“TCG”——它們被稱為'密碼子'。

　　每個密碼子都告訴細胞向鏈中添加一個特定的氨基酸。每個密碼子都有一個特定的tRNA識別它，并添加相應的氨基酸，例如：識別密碼子“TCG”的 tRNA 帶來了氨基酸絲氨酸。

　　四個字母三個一組，有 64 種可能的字母組合；然而，細胞通常使用的天然氨基酸只有 20 種。因此，幾個不同的密碼子可以是同義的：它們都編碼相同的氨基酸，例如：TCG、TCA、AGC 和 AGT 都編碼絲氨酸。

　　現在學界廣泛猜測如果移除某些有意義的密碼子以及相關可以讀取它們的tRNAs，可能能夠使細胞具有各種不同的性質，包括新的抗病毒模式以及有能力編碼非常規雜聚物的生物合成。然而，這些假設仍然沒有在實驗室中被證實。

　　為了探索基因的奧秘，2019年，MRC分子生物學實驗室的團隊為大腸桿菌創建了第一個從頭開始合成的全基因組。首先提取并分析了野生大腸桿菌的基因組成，分析每個基因對于大腸桿菌的生存意義。此后經過 2 年的時間，研究人員重新設計并合成了大腸桿菌所需的所有基因，再使用這些重組的基因合成了首個“人造”大腸桿菌。

　　全新設計并合成的人工基因組大約包含 400 萬個堿基對。如果用標準 A4 紙打印這些基因組，大約需要 970 頁，這是人類歷史上首次合成那么長且復雜的基因組。

　　在經過 18218 次編輯后，科學家們終于完成了對大腸桿菌所有基因的重新設計與合并。重新設計的堿基序列使用化學合成法合成并被一段一段地導入大腸桿菌內，最終人工合成的基因組全部代替了野生型基因組，首個完全合成且徹底改變了一種 DNA 構成的生物誕生了，其被命名為 Syn61 。

　　隨后，他們還順便簡化大腸桿菌的基因組，刪除了 TCG 和 TCA 的tRNA分子，并用同義詞 AGC 和 AGT 替換了它們；刪除了“終止”密碼子 TAG 的tRNA分子，并用其同義詞 TAA 替換它。改造后的細菌基因組中不再有密碼子 TCG、TCA 和 TAG，但它們仍然可以制造正常的蛋白質并存活和生長。

　　這項研究將合成基因組學領域提升到了一個全新的水平，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。

　　人造大腸桿菌合成非自然新型聚合物

　　基于之前研究的基礎，MRC的科學家想利用他們的新技術進一步創造出第一個可以完全用自然界中沒有的結構組裝聚合物的細胞。

　　在此次報道的研究中，科學家進一步對細菌進行了修飾，去除識別密碼子TCG和TCA的tRNA分子。這意味著，即使遺傳密碼中有TCG或TCA密碼子，細胞中也不再有能夠讀取這些密碼子的分子。

　　這對于任何試圖感染細胞的病毒都是致命的，因為病毒通過將其基因組注入細胞并劫持細胞的機器來進行復制。病毒基因組仍然包含大量 TCG、TCA 和 TAG 密碼子，但經過修飾的細菌缺少 tRNA 來讀取這些密碼子。當經過修飾的細菌試圖讀取病毒基因組時，每次到達 TCG、TCA 或 TAG 密碼子時都會失敗。

　　在這項研究中，研究人員用病毒混合物感染了他們的細菌。結果發現未經修飾的正常細菌被病毒殺死，但經過修飾的細菌對感染具有抵抗力并存活下來。

　　這一研究結果，首次在實驗室中驗證了科學家們長期以來的一個猜想，即移除細胞tRNAs可能創造對病毒的抵抗力并使有意義密碼子發生重組。

　　而且研究人員還將帶有 TCG 和 TAG 密碼子串的基因序列插入到細菌的 DNA 中。這些被改變的tRNA按照DNA密碼子序列定義的序列組裝合成單體鏈。

　　通過對這些密碼子進行重新分配，為三種非常規氨基酸分配了相應的密碼子及tRNAs，實現了包含三種非常規氨基酸蛋白質的生物合成。更有意思的是，這種大腸桿菌可以重新編碼，用于編碼多種非規范雜聚物和大環化合物的翻譯。

　　在本次試驗中，研究人員能夠制造出由多達八種單體串聯而成的聚合物。他們將這些聚合物的末端連接在一起形成大環，這是一種構成某些藥物（例如某些抗生素和抗癌藥物）基礎的分子。