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#Topic:首个人工设计基因组微生物诞生了,是个大肠杆菌

顾天鹂2019-05-17 07:06:48

能抗病毒,还能帮助合成更多的定制蛋?#23383;?/p>

《自然》15 日发布的一篇论文显示,在两年的时间里,剑桥大学的分子生物学家们读取并重新设计了大肠杆菌的 DNA,创造出了全球首粒全套基因组经过重新编码的大肠杆菌。它证明了人工设计过的基因组可以产生生命,而微生物在医疗方面的应用也得以进一步突破。

早在 2010 年,美国团队就创造出了世界首个具有合成基因组的微生物,他们用的是丝状支原体(Mycoplasma mycoides),基因组非常小,只有 100 万个碱基对,而且设计变动并不大。

本次的人造基因组拥有 400 万碱基对,用 A、T、C、G 表示,打印在 A4 纸上长达 970 ?#24120;?#26159;科学家们迄今合成过的最大的基因组,对其改动程度之大也是史上首次。“此前人们完全不清楚,合成这么大的一个基因组,还是彻底变动过的,是否具有可行性?#20445;?a href="https://www.theguardian.com/science/2019/may/15/cambridge-scientists-create-worlds-first-living-organism-with-fully-redesigned-dna" rel="nofollow">领导项目的 Jason Chin 教授说。

细胞通过读取 DNA 上的遗传信息合成生物生长所需的氨基酸。在 DNA 长链上,A,C,T,G 代表四种化学碱基(核?#36134;幔?#27599; 3 个碱基组成一个密码,对应一个特定的氨基酸或是终止蛋?#23383;?#21512;成的信号。一共可以排列出 64 个密码子,其中的 61 个编码 20 种必需氨基酸,3 个是终止密码子。

但是一种氨基酸不止对应一个密码子,这就造成了密码子的“浪费”。研究人员所做的就是优化这样的冗余,最后只用了 59 个密码子,就合成出了所有必需氨基酸。

第一步操作在计算机上进?#23567;?#36825;项工作比较容易,被形容为在《战争与和平》的电子文本里查找替换某些单词。对于基因组中的 TAA、TAG 和 TGA 3 个终止密码子,研究人员?#19994;?#20102;所有的 TAG,将它们全部换成 TAA;有 6 个密码子都可以合成丝氨酸,他们把其中的 TCG 和 TCA 替换成了同义密码子 AGC 和 AGT。一共有 18218 个密码子被替换。

真正的挑战在于把重设的基因组进行化学合成,并将其?#24230;?#27963;细胞中。这个流程包括将大肠杆菌的基因组分解?#23578;?#29255;段,将合成的新基因一段一段加入其中,之后通过不断迭代,新基因逐渐替换了原基因组的其他片段。编辑后的大肠杆菌 Syn61 比同类更长,分裂速度要慢 1.6 倍,但是生长良好,合成出的氨基酸与正常大肠杆菌相比无异。

Chin 认为,重设基因组可以在日后派上很多用场。因为 DNA 和原?#35748;?#32990;不同,入侵的病毒将很难在细胞中扩散,所以自动让其具备了抗病毒属性——在生物医疗领域,大肠杆菌常被用于胰?#26680;亍?#30284;症特效药、多发性硬化、心脏疾病的治疗,但是病毒感染微生物很容易?#31361;?#25481;整个治疗过程,因而抗病毒是十分关键的特性。另外,?#22836;?#20986;的多余密码子,其转运 RNA 可以让其他的非天然氨基酸附着,为在活细胞内合成人工定制的酶、蛋?#23383;?#21644;药物提供帮助。

题图来自 iStock

?#19981;?#36825;篇文章?去 App 商店搜 好奇心日报 ,每天看点不一样的。

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