科学家重写大肠杆菌的遗传密码，创造出自然界前所未见的生命形式

地球上几乎所有生命的 DNA 都由 64 个密码子组成，每个密码子都是由三个核苷酸碱基（DNA 的基本组成单位）构成的序列。这些密码子包含了构建氨基酸的指令，而氨基酸再结合形成蛋白质。但是，拥有这么多密码子是冗余的——细胞只使用 20 种氨基酸，所以有些氨基酸最终会被多个密码子编码。

因此，科学家们一直致力于从微生物中“释放”密码子，即移除它们并缩短遗传密码。他们希望有一天能重新利用这些序列，让它们不再编码那些已有的氨基酸，而是编码自然界中不存在的其他氨基酸。这可能使微生物产生新的分子，从而开发出有用的药物或材料，甚至可能使微生物具有抗病毒能力。

现在，科学家们重新设计了大肠杆菌的遗传密码，使其仅包含 64 个密码子中的 57 个。这项研究成果于七月下旬发表在《科学》杂志上。

“这是一项艰巨的工作，”该研究的主要作者、英国医学研究委员会分子生物学实验室的合成生物学家韦斯利·罗伯逊 (Wesley Robertson) 告诉《新科学家》杂志的迈克尔·勒佩奇 (Michael Le Page)。

为了实现这一目标，研究人员从头构建了该细菌的整个基因组。然后，他们开始在活体细菌中测试经过编辑的小段 DNA 片段，以确定哪些改变是可行的，哪些是有害的。

这项工作在四年间充满了大量的反复试验。“我们确实经历过一些时期，当时我们想，‘这会是死路一条，还是我们能坚持到底？’”罗伯逊向《纽约时报》的卡尔·齐默 (Carl Zimmer) 回忆道。团队必须在过程中发明修复方法来弥补造成的损害。

DNA 由四种核苷酸碱基（或称字母）构成，它们是遗传密码的基本组成部分：腺嘌呤 (A)、胸腺嘧啶 (T)、鸟嘌呤 (G) 和胞嘧啶 (C)。这些碱基以三个为一组的不同组合，构成了 64 个密码子——其中 61 个编码氨基酸，3 个是发送终止蛋白质合成信号的终止密码子。

由于细胞有 20 种氨基酸可用于形成蛋白质，理论上一个生物体只需要 21 个密码子：每种氨基酸对应一个，外加一个终止密码子。科学家尚不清楚这些冗余的密码子是否有特定用途。但在整个 DNA 分子中，一种密码子可能会出现数千次——因此，即使只是释放一种密码子，也需要大量艰苦的编辑工作。

2019 年，研究人员制造出一种名为 Syn61 的合成大肠杆菌，它只有 61 个而非 64 个密码子。这个过程对该微生物的 DNA 字母进行了 18000 次修改。而这一次，罗伯逊和他的同事们对 DNA 进行了超过 10 万次修改，制造出了名为 Syn57 的 57 密码子细菌。

“这是一个经过彻底重编码的基因组，”罗伯逊告诉《化学与工程新闻》的伊丽莎白·沃尔什 (Elizabeth Walsh)。

“这是一项重大成就，是多年努力的成果，”哈佛医学院从事类似研究的合成生物学家阿科斯·涅尔格斯 (Akos Nyerges) 补充道，并向《新科学家》表示。他的团队正致力于通过释放与罗伯逊团队不同的密码子来缩减大肠杆菌的基因组。“我们的 57 密码子大肠杆菌菌株仍在研发中，”涅尔格斯补充说。

目前，Syn57 的生长速度比正常大肠杆菌慢四倍，但研究人员预计，通过进一步研究，他们可以提高其生长速度。经过额外编辑后，它可能在生物技术和商业应用中发挥关键作用。据 Phys.org 网站的克里斯托·卡萨尔 (Krystal Kasal) 报道，自 2019 年问世以来，Syn61 已被用于生产更可靠的药物。

“这项工作展示了基因组合成如何能将生物体的基因组序列推向自然生命可能从未涉足过的新的序列空间，”作者们在论文中写道。

与此同时，据《纽约时报》报道，涅尔格斯和他的团队也接近完成他们版本的 Syn57——他们已经创造了一个 57 密码子的基因组，但它被分成了七个不相连的 DNA 片段。他们现在正努力将所有片段拼接成一个分子。“我们肯定能做到，”他告诉该媒体。

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