喬治·丘奇團隊創(chuàng)造出不會被任何病毒感染的細菌，讓合成生物學和轉基因更安全

作者|王聰 來源|生物世界(ID：ibioworld)

在合成生物學中，人們總是希望將細菌基因組改造出有益性狀。當使用這些改造的細菌來發(fā)酵生產(chǎn)藥物（例如胰島素）或其他有用物質（例如生物燃料）時，有兩個需要警惕兩方面的問題。一方面是，如果這些發(fā)酵罐中的細菌被病毒污染，就會導致生產(chǎn)中斷，造成巨大損失。另一方面是，需要防止這些改造過的細菌逃逸到自然界，造成潛在危害。

此前已有一些研究通過對生物體進行密碼子工程設計，以防止病毒感染和基因的水平轉移，從而為自然生態(tài)系統(tǒng)建立“防火墻”。然而，許多病毒和可移動遺傳元件自帶的部分翻譯裝置，可能使得“防火墻”失效。

2023年3月15日，哈佛大學喬治·丘奇（George Church）實驗室在 Nature 發(fā)表了題為：A swapped genetic code prevents viral infections and gene transfer 的研究論文。

該研究在基因工程和合成生物學領域邁出了一大步，創(chuàng)造出了一種可以抵抗迄今已知所有天然病毒感染的大腸桿菌。而且，研究團隊還在這種改造的大腸桿菌中加了雙保險，能最大程度上防止這種改造的大腸桿菌及其修飾基因逃逸到自然界。

這項研究能夠在利用合成生物學技術生產(chǎn)藥物或其他有用物質時避免病毒污染帶來的巨大損失。而且，該技術還可以用用于轉基因生物中，能夠防止轉基因的逃逸及其可能帶來的潛在危害。

值得一提的是，論文作者還包括來自金斯瑞生物（GenScript）的三位員工。

論文第一作者Akos Nyerges 表示，我們首次開發(fā)出了一種技術來設計一種不會被任何已知病毒感染的生物體，截至目前，廣泛的實驗室研究和計算分析顯示，還沒有一種病毒能夠感染它們。而且，我們還在其基因組中內置了安全措施，以防止這些被修改過的遺傳物質進入自然界中。

2022年10月，劍橋大學的研究人員在 Science 期刊發(fā)表了一篇題為：Refactored genetic codes enable bidirectional genetic isolation 的研究論文。該研究團隊認為，他們通過重構遺傳密碼開發(fā)出了一種對病毒免疫的大腸桿菌——Syn61Δ3。

劍橋大學團隊所使用的的方法是對大腸桿菌基因組進行重組，使其從61組密碼子中編碼維持生命所需的全部蛋白質，而不是自然狀態(tài)下的64組密碼子。按照這一設想，病毒難以在缺失了幾組密碼子的大腸桿菌內復制，也就無法感染和劫持細胞。

然而，Akos Nyerges 等人對大腸桿菌流行的地方進行采樣，例如雞舍、鼠窩、污水，從中發(fā)現(xiàn)了可以感染上述改造的大腸桿菌的病毒。也就是說，這種改造的大腸桿菌并不能完全抵御病毒感染。他們發(fā)現(xiàn)，僅僅減少幾組密碼子是不夠的，有些病毒能夠繞過這些缺失的密碼子。

喬治·丘奇團隊認為，要想構建出真正抵抗任何病毒感染的生物體，關鍵在于轉運RNA，也就是tRNA。

喬治·丘奇

我們知道，mRNA上每三個堿基組成一個密碼子，對應一個氨基酸，在mRNA翻譯成蛋白質的過程中，tRNA通過自身的反密碼子識別mRNA上的密碼子，并將該密碼子對應的氨基酸轉運至核糖體合成的多肽鏈上，從而執(zhí)行mRNA翻譯蛋白質的過程。

在mRNA翻譯蛋白質過程中，六種密碼子均對應著絲氨酸，劍橋大學團隊刪除了其中兩個絲氨酸密碼子TCG和TCA，以及對應的tRNA。喬治·丘奇團隊進一步添加了新的誘騙tRNA，這些誘騙tRNA會把TCG和TCA從原本的絲氨酸識別為亮氨酸。

而亮氨酸和絲氨酸在物理和化學上的區(qū)別是最大的。當入侵病毒（噬菌體）注入自己充滿TCG和TCA的遺傳密碼，并嘗試劫持大腸桿菌制造病毒蛋白時，這些tRNA就會打亂病毒的合成指令，在蛋白質序列中引入錯誤的氨基酸，從而合成無功能的病毒蛋白質，這也意味著病毒無法完成復制，也就無法進一步感染更多細胞。

病毒蛋白的錯誤翻譯阻礙了病毒的復制

雖然病毒也配備了自己的tRNA，它們能夠將TCG和TCA正確轉換為絲氨酸，但研究團隊證實，在大腸桿菌中引入的誘騙tRNA效率很高，能夠壓倒來自病毒的tRNA。

研究團隊表示，這項工作可能已經(jīng)清除了使細菌對所有病毒免疫的最后一個障礙，構建出了對已知病毒完全免疫的生物體，如果病毒想要突破這一點，就需要同時產(chǎn)生幾十種特定的突變，這對自然進化來說，非常非常不可能出現(xiàn)。

為了保險起見，研究團隊還在改造的大腸桿菌上添加了兩個獨立的保障措施。

第一個保障措施是防止水平基因轉移，這是一種不斷發(fā)生的自然現(xiàn)象，指遺傳物質被水平轉移給非子代的其他細胞。由于研究團隊在改造的大腸桿菌中將亮氨酸的密碼子替換成了TCG或TCA，如果這些改造的大腸桿菌的遺傳物質水平轉移到了其他生物體中，那么這些生物體的天然tRNA仍然將TCG和TCA轉換為絲氨酸，從而得到一堆沒有進化優(yōu)勢的亂碼蛋白。同樣，如果改造的大腸桿菌的誘騙tRNA被水平轉移到了其他生物體，那么這些誘騙tRNA會將代表絲氨酸的密碼子誤讀為亮氨酸密碼子，從而殺死細胞，防止進一步傳播。

TCG或TCA編碼亮氨酸，抑制了水平基因轉移

也就是說，任何逃逸的誘騙tRNA都“走不遠”，因為它們對自然生物體有毒。這也代表了第一種能夠阻止轉基因生物的基因水平轉移到天然生物的技術。

第二個保障措施是，研究團隊設計的細菌本身無法在受控環(huán)境之外生存。這些改造的大腸桿菌必須依賴實驗室制造的非天然氨基酸生存，這種非天然氨基酸在自然界并不存在。因此，它們一旦逃逸，就會因為缺乏非天然氨基酸來源而迅速死亡。因此，不會有人類或者其他生物體被這些大腸桿菌感染的風險。

最后，研究團隊表示，希望使用這種改造的大腸桿菌來生產(chǎn)醫(yī)用合成材料，從而告別之前昂貴的化學合成。合成生物學的大門正在徐徐打開，而新的探索才剛剛開始。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05824-z

https://www.science.org/doi/10.1126/science.add8943

編者按：本文轉載自微信公眾號：生物世界(ID：ibioworld)，作者：王聰