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科学家合成整套大肠杆菌基因组【澳门威斯尼斯

发布时间:2019-12-13 15:39编辑:科技知识浏览(120)

    剑桥大学的研究者称,他们用一套完整的人造基因组替换了大肠杆菌的所有天然基因,而且与通常需用到64个密码子构成基因组不同的是,他们的人造基因组只用到了61个密码子。他们认为,这“省下”的密码子将来可用于扩展人造材料的特性,比如改善防弹衣材料性能等。

    正如前面所说,新的碱基可以帮助科学家利用新的氨基酸合成自然界中不存在的蛋白质,8种碱基就相当于有了512种密码子。除此之外,创造8碱基DNA的团队曾经发现,他们合成的含有碱基Z和P的DNA能够更好地和癌细胞结合。利用这项特性,人工合成DNA就可以在癌症的诊断、药物定向导入等等方面发挥巨大作用。

    制版编辑 | 皮皮鱼

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    7] John Bohannon, Biologists areclose to reinventing the genetic code of life. Science. DOI: 10.1126/science.aah7205

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    如下图所示,信使RNA携带从DNA处转录而来的遗传信息密码子进入核糖体,转移RNA携带氨基酸前来与之配对,把密码子片段表示的氨基酸装配成蛋白质。好比是串珠一般,信使RNA按照DNA的指示,决定了每颗珠子安放的位置,核糖体负责进行串珠操作,转移RNA负责把五颜六色的各色珠子搬运到作业场所,拼合而成的珠串就是新合成的蛋白质。

    3] Isaacs,F.J et al., Precise manipulation of chromosomes in vivo enablesgenome-wide codon replacement. Science. DOI: 10.1126/science.1205822

    在电子扫描显微镜下拍到的大肠杆菌。

    Syn61的重大意义就在于此。此次研究中,科学家们将两个编码丝氨酸的密码子TCG和TCA分别用AGC和AGT进行替换(这四个组合都能编码丝氨酸,参见上图),将终止密码子TAG替换成TAA,最终编写了Syn61的基因组。Syn61即意为合成的、有61个密码子(59个氨基酸密码子 2个终止密码子,正常情况是61个氨基酸密码子和3个终止密码子)。

    今天, Chin 团队正式实现了六年前 Don Ingber 所畅想的这项壮举。

    这份近期发表在《自然》期刊上的论文称,他们用人造基因逐一替代了有400万个DNA字母的整套大肠杆菌基因组。

    人造生命近年来的重大进展

    近些年来,合成生物学发展迅速,其安全性也一直备受关注,由于遗传密码子被重编写的大肠杆菌可能对病毒产生抗性,因此一旦从实验室环境泄露到外界,可能会超出人力所能控制的范围。7]

    这项研究的负责人、英国医疗研究理事会的生物学家Jason Chin告诉《麻省理工技术评论》(MIT Technology Review):“我们花了两年时间。但未来我们希望能够在不到一个月的时间内合成新的基因组。”

    制作:夏至(关西科健产业研究院)

    研究者在人工合成的基因组中将编码丝氨酸的密码子 TCG、TCA 分别替换为同义的 AGC、AGT,将终止密码子 TAG 全部替换为 TAA。在大肠杆菌 MDS42 株系中,以上三种替换所涉及变更的密码子总计达18218个,新合成的株系被命名为 Syn61,用来纪念这个只含有61个密码子的全新生命体。尽管在全基因组范围内,检测到8个非预期突变,但研究者认为这些突变对于相关基因的表达没有影响。

    ​研究者表示,没有用到的密码子可用于其它用途,比如让造出的蛋白含有普通蛋白没有的一些氨基酸,从而展现特殊的功能。这意味着可以造出特殊的细菌合成材料,比如防弹衣所用的材料。

    然而,20种氨基酸对应的密码子却有61个, 终止信号还有3个,这样就会产生多种密码子对应同一种氨基酸的“冗余”情况。事实上,对应同一种氨基酸的不同密码子的效果并不是完全相同。在不同的物种中、不同的情况下,有一些密码子的使用会多于另一些密码子,这种现象叫做密码子偏好,而即便是同义密码子之间的替换也会改变蛋白质的表达情况。

    在这项研究中,Jason Chin 团队通过人工合成、替换的方式,将大肠杆菌全基因组的64个密码子成功缩减为61个,是目前全基因组水平上最大规模的密码子重编写工作。

    ​美国的J. Craig Venter研究所最早在2008年和2010年首次合成了人造基因组,但是这次大肠杆菌所含的基因字母数量是之前实验的4倍,创下了目前为止的新记录。

    DNA和RNA的结构对比,作者见图

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    除了人造基因替换技术,剑桥的研究者还尝试把构造氨基酸的密码子数量从64个减少到61个。报告称,人造的大肠杆菌比普通的生长慢一些,长度长一些。

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    如何用几句话把上面的所有技术都归纳出来?

    在2011年,哈佛大学医学院合成生物学家 George Church 成功将大肠杆菌的基因组中全部314个琥珀终止密码子(amber stop codon,TAG)替换为同义的 TAA 终止密码子。该研究是第一个在全基因组范围内实现密码子重编写的工作,但是其所主要使用的 MAGE 技术,是基于设计寡聚核苷酸链进行多位点同步替换的原理,仅仅可以对所要编辑的个别位点进行替换。George Church 的这项工作事实上并没有实现对大肠杆菌全基因组的完全合成。同时,该工作所采用的基因编辑策略的固有特性限制了进一步扩大重编写遗传密码子规模的可能性。3]

    另一个研究组在实验人造酵母菌基因组,其含有的基因字母数量达1200万,目前还未完成。

    大肠杆菌Syn61的重大意义在哪里?

    长久以来,合成生物学家都怀有一个梦想:希望能有一天合成出完整的人类基因组。然而,这项工作的难度就好比要求你用四种颜色的小小玻璃珠,沿着北京市五环路按照指定的次序串上五圈,中间还不允许出错!

    除了形态和生长速度方面的改变,删除特定密码子也给Syn61带来了特殊的性质。首先,一种针对TCG密码子的毒性物质对于Syn61来说毫无杀伤力。另外,对于普通大肠杆菌来说不可缺少的、TCA密码子必需的物质,对于Syn61来说也可有可无。

    来源:MRC网站(

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    4] OstrovN et al., Design, synthesis, and testing toward a 57-codon genome.Science. DOI: 10.1126/science.aaf3639

    参考文献:

    “Syn61菌株相比于野生型大肠杆菌生长速率较慢,预计在实验室外竞争不过其他细菌。” Chin 介绍说。他同时表示,“ 随着合成生物学领域的发展,有必要进行广泛的讨论,以确保有合适的保护措施。”

    在读取基因记录的信息时,相邻的三个碱基为一组,4种碱基可能出现的排列组合就有64种,这样的排列组合就是密码子。每种密码子可以对应一种氨基酸或者终止信号,64种密码子对应了参与合成蛋白质的20种氨基酸和3个终止信号。

    研究者将大肠杆菌约 4Mb 的基因组划分为8个小节,每个小节再细分为长度 100kb 左右的4-5个的模块。通过体外 DNA 合成构建出一条条长度约10kb的片段,再借助酵母细胞的同源重组,研究者将十条左右的片段拼接为包含了长约100kb模块的细菌人工染色体(Bacterial Artificial Chromosome, BAC)。

    构成人体20种氨基酸的密码子表,图中U即代表DNA中的T,作者供图

    6]

    对遗传语言的同义替换是如何做到的?

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    监制:中国科学院计算机网络信息中心

    2016年,George Church 又报道了将大肠杆菌密码子由64个密码子压缩为57个密码子的尝试,提出了先将4Mb的基因组拆分成87个约50kb大小的片段并单独构造了片段替换的菌株,再整合到同一个基因组中的设想。4]

    在制造蛋白质时,DNA的序列首先被转录到信使RNA中,蛋白质制造工厂——核糖体则以信使RNA为模板,读取三个碱基一组的遗传信息,将一个个氨基酸连成一串,最终合成生命的基础——蛋白质。只有4个字母的DNA中就是这样携带了大量信息,再通过精巧的过程被解读,使我们和宠物、食物、细菌的区别一目了然。

    Church 在接受 STAT 采访时则表示,Syn61 可能具有对病毒感染更好的抵抗性,假如应用在工业生产,有可能为生物制药产业节省下由于病毒感染所导致的每年上百万美元的经济损失。6]

    与这些历史上的“第一”做个对比,就知道Syn61为何称得上是第一个全基因组被改写的人工合成微生物了(具有8碱基DNA的微生物目前还未被制造出来)。Syn61是在一株经过冗余基因删除的大肠杆菌MDS42的基础上进行改写的。此前,其他科学团队只做到了在大肠杆菌的全基因组中替换一个终止信号(且其DNA并非全人工合成),或者在一段基因中进行部分替换。

    该研究通过同义替换将大肠杆菌基因组的64个遗传密码子缩减为61个。 来源:Fredens et al,. Nature,2019

    当然这个团队并没有满足于此,考虑到DNA只有将信息传达出去才能实现其价值,他们通过改造现有的RNA聚合酶,找到了可以将8碱基DNA转录成RNA 的那一个。SBPZ 四个新碱基都有对应的RNA版本,因此新合成的8碱基DNA可以无障碍地转录成RNA,并有望继续执行功能。当然,8碱基DNA和RNA的合成距离其成为真正的遗传系统(至少需要能够指导蛋白质的合成)还有很长的路要走,但是这条路终点的生物体,就是从各种意义上来讲都当之无愧的人工合成生命。

    “未来对全基因组遗传密码子的重编码将会成为遗传工程领域的一项巨大的飞跃,一旦实现,将意味着合成生物学从基础科学向产业转化的序幕正式被拉开。” 在谈到在整个基因组范围内实现编码氨基酸的遗传密码子同义压缩的可能性时,哈佛大学教授 Don Ingber 在2013年表示 5]。

    密码子不够用,为什么不增加碱基呢!

    “密码子同义压缩的细菌未来将可以合成非经典的生物聚合物,这具有生产新型材料和医药的潜力。” 该研究通讯作者 Jason Chin 告诉《知识分子》。

    来源:Freepik.com

    通讯作者Jason Chin照片

    蛋白质合成过程,公有领域

    从大肠杆菌到哺乳动物细胞都遵守中心法则:DNA 经过转录生成 mRNA,mRNA 经过翻译形成蛋白质。在翻译的过程中,每三个核苷酸组成一个密码子,对应一种氨基酸或者是终止信号。由于细胞存在64种密码子,而参与翻译的标准氨基酸只有20种,其中存在着冗余性,因此研究者设想可以通过密码子同义替换,在基因组中删除特定的密码子,进而可以将空闲出的密码子用于编码非标准氨基酸。

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    理想还是要有的。最近,英国 MRC 实验室研究员 Jason Chin 领导的团队取得了阶段性的胜利:他们成功为大肠杆菌(Escherichia coli)的完整基因组重编写了遗传密码子1]。如果沿用上面的比喻,大致相当于用玻璃珠准确、不间断地围着一个400米的操场完整串了一圈。

    出品:科普中国

    此项研究具有怎样的意义?

    那么,腾出来的三个密码子又有什么用?简单来说,如果细菌不需要这三个密码子,我们就可以让这些密码子携带其他的信息,比如对应一种现有蛋白质中20种氨基酸之外的氨基酸,赋予大肠杆菌一些人类所需要的功能。当然,要做到这一步除了“密码”要换,相应的“解码器”也要换,这项技术离具体应用还非常遥远。

    参考文献:

    3.

    {"type":1,"value":"2] Kaihang Wang et al., Defining synonymous codon compression schemes bygenome recoding. Nature. DOI: 10.1038/nature20124

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    5]

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    放大10000倍的大肠杆菌图 ,Photo by Eric Erbe, digital colorization by Christopher Pooley。 来源:Wikipedia

    今年2月,日美科学家在《科学》杂志上发表论文,介绍了它们最新合成的8碱基DNA。我们在高中已经学过DNA是由ATGC四个碱基排列构成的,而8碱基DNA则是在通常四个碱基基础上,又添加了SBPZ四个新碱基,合成了一段含有8种碱基的DNA。8碱基DNA可以说是目前人造生命研究领域中最为“人造”的一项重大成果,因为SBPZ四个新碱基在自然界中根本不存在。可惜的是,这项成就在推广方面没有达到本身应有的高度,知名度不及其它几项研究。

    然后,基于此前 Jason Chin 开发的 REXER 技术 2],研究者将 BAC 电转入大肠杆菌细胞,再利用 CRISPR/Cas9 技术将大肠杆菌基因组中的~100kb长的同源序列替换为人工合成的序列模块。Jason Chin 设计的 BAC 在同源模块两端具有特殊的选择标记,因此能够在大肠杆菌中可迭代地进行 REXER,每一轮循环替换约100kb基因组,最终实现将大肠杆菌的整个基因组都替换为人工合成的同源序列的目标。

    2018年中国制造的单染色体酵母,则是将酵母的多条染色体首尾相接,没有对基因组进行大范围的改写,DNA也不是人工合成(酵母属于真核生物,基因组有12Mb之大,远远超过衣原体),但毕竟是创造了自然界中不存在的物种,也算得上是第一个人造真核生物。

    责编 | 陈晓雪

    举个可能有些不太准确的例子,遗传信息好比是我们手中的一份文稿,有几十页。本来它们都按着页码叠在一起,但是你要是把它们一页一页首尾相接粘起来,这就和中国的单染色体酵母类似了。如果你把文稿中的一些词汇全部替换为另外的说法,那就和这次的全基因组改写大肠杆菌类似了。如果你在文稿中加入了另外一套之前谁都没有见过的文字,这就是8碱基DNA的情形,并且,由于你加入了全新的文字,很多其它的文稿处理软件很可能没法正确识别你的文档,这就是所谓的8碱基DNA还需要与之相应的技术支持才能真正发挥效用。

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    {"type":2,"value":"

    “这是一个里程碑式的工作。”哈佛大学教授 George Church 在接受美国媒体 STAT 采访时评论说。

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    全基因组水平最大规模的密码子重编写

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    该研究构建的Syn61大肠杆菌基因组图谱 来源:Fredens et al,. Nature, 2019

    高中生物课告诉我们,地球上的一切生物,包括我们自身、我们的宠物、我们的食物和我们身上和体内的细菌等等,遗传信息均由细胞核内染色体上称为DNA的大分子所保存(部分病毒为RNA,即核糖核酸)。而DNA是用一套遗传语言编码而成的,且这套语言中只含有ATGC四个字母,A与T、G与C两两配对(在RNA中是AUGC,U代替DNA中的T,与A配对)。这四个字母代表的四种碱基排列构成了我们的DNA,一段段记录了遗传信息的DNA就是基因。

    撰文 | 黄宇翔

    这株“人工致残”的大肠杆菌Syn61也确实与改编之前的祖先MDS42有些许不同:Syn61菌体的长度要略长于MDS42;在37℃下,Syn61比MDS42的复制速度要慢1.6倍。可见,即便是编码同一个氨基酸,不同的密码子对基因表达的影响也是不可估量的。要知道在这项研究中,科学家们在改编密码子的时候已经非常小心翼翼了。考虑到DNA中G和C两种碱基的含量会影响DNA的性质,科学家选用了尽可能不改变G、C含量的改写方法。

    “密码子的重编写挑战了生命的基本公式,” 帝国理工学院的合成生物学家 Tom Ellis 在接受STAT 采访时说,“你将可以利用自然提供给我们的原材料做一些完全不同的事情。” Tom Ellis 解释说,通过重编写遗传密码子,人们将有可能在体内合成含有非经典氨基酸的新蛋白,这种新蛋白未来在临床上具有潜在的医学价值。

    染色体和DNA的结构关系,来源:Freepik.com

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    通俗地说,研究者们对大肠杆菌的整套DNA中的一些编码进行了同义替换,然后从头合成了这套“全新”的基因组,造出了这株叫做Syn61的人造大肠杆菌。由此可见,全基因组改写确实没错,但并非是完全改写,相当于一部书稿中对某几个词汇进行了同义替换。即便是这样,这一成就也堪称是人造生命研究史上的里程碑事件。那么,人造生命研究领域近年来发生了哪些大事件?它们与这次的成果相比有哪些异同之处?进行人造生命研究到底有什么现实意义呢?

    澳门威斯尼斯人网址 161] Julius Fredens et al., Total synthesis of Escherichia coli with arecoded genome. Nature. DOI: 10.1038/s41586-019-1192-5" style="width:60%;margin:1rem auto">

    正常情况下,生物体中编码蛋白质的密码子即便存在“密码子偏好”,也不会出现某种密码子完全不会出现的情况。那么问题就来了,是不是每一种密码子都不可或缺?如果某几种密码子完全不出现在基因组中,生命体还能维持基础功能吗?

    人类历史上首个合成生命的名号属于2010年诞生的一个衣原体。当时的科研团队参照自然存在的衣原体,人工合成了未经改动的大小约有1Mb的衣原体基因组,造出了第一个人工合成的微生物。

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    本周又有一株大肠杆菌登上了科学界的巅峰《自然》杂志,号称人类历史上第一个全基因组被改写的人工合成微生物。虽然“基因组改写”和“人工合成”这样的名词在人造生命研究领域已经不算是新鲜说法了,这株人造大肠杆菌还是登上了各国科技媒体的头条。它到底有什么特殊之处,能够称得上历史第一呢?

    人工合成的碱基到底有什么应用价值?

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    要搞清楚这个问题,先来复习一下生物的遗传密码DNA。

    这项新鲜出炉的研究发表在今年2月份的《科学》杂志上。在通常的ATGC之外,他们模仿现有碱基的结构创造了SBPZ四个新碱基,合成了一段含有8个碱基的DNA。文章的第一作者是一位日籍科学家,这个自豪的日本人和他慷慨的美国老板将这种8碱基的核酸命名为“Hachimoji”,即为日语“八文字”的发音。8碱基DNA中S和B配对,P和Z配对,无论新碱基如何排列,三维结构都可以完全维持4碱基DNA的原状,保证了8碱基DNA的稳定存在和后续功能的执行。与之前或无法自然配对或无法维持DNA结构的人工合成碱基相比,8碱基DNA绝对称得上是一项里程碑式的发明。

    4种碱基最多只能组合出64种密码子,除去细菌必需的密码子,我们能够利用的极其有限。另外一群美国科学家并没有将思维局限于此,他们的思路是,增加碱基数量,这样密码子想要多少就有多少,这就是我们文章第一部分提到过的8碱基DNA。

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    关键词: 基因组 科学家 大肠杆菌 大肠杆