Science：剑桥迷信家初次通过天然年夜肠杆菌，完成病毒抵制以及人工聚合物合成

年夜肠杆菌作为一种紧张的形式工业微生物，在医药、化工、农业等方面具备普遍的利用。近30年来，多种代谢工程改革的新战略和新技术，被用于设计、构建和优化年夜肠杆菌细胞工场，极年夜地进步了生物法合成化学品的临盆速度和产量。

不外，此前关于年夜肠杆菌的应用，仅局限在自然界中存在的物资上，无奈知足人们关于化工临盆的需求。恒久以来，迷信家始终尽力改革年夜肠杆菌，试图让它依照人们的设计合成自然界中不曾呈现的聚合物。

近日，来自英国剑桥医学研讨委员会(MRC)分子生物学试验室 Jason W. Chin 传授率领的团队，在全人工合成的年夜肠杆菌体内，通过敲除相关暗码子TCG，TGA，TAG的tRNAs和开释因子，使该菌株完成了对噬菌体的完满抵制力。同时将有意义暗码子从新分派给十分规单体，完成了分歧十分规单体的高效间断聚合以发生十分规杂聚物和年夜环化合物。

该研讨以“Sense codon reassignment enables viral resistance and encoded polymer synthesis”为题，颁发在最新一期的 Science 杂志上。

对此 Chin 传授表现，“全人工合成的年夜肠杆菌，可以许可咱们按本人的需求编纂基因，用自然界中不存在的单体系体例造聚合物。是以，这些细菌能够会酿成可再生和可编程的化工场，临盆各类新颖的分子。这关于生物技术以及新药以及抗生素的合成都长短常有帮忙的。”

摸索ATGC的机密，重写年夜肠杆菌基因组

咱们都晓得 DNA 中的遗传暗码由四个碱基构成，由字母 A、T、C 和 G 表现。DNA 中的四个字母以三个字母为一组“读取”——例如“TCG”——它们被称为"大众暗码子"大众。

每个暗码子都奉告细胞向链中增加一个特定的氨基酸。每个暗码子都有一个特定的tRNA辨认它，并增加响应的氨基酸，例如：辨认暗码子“TCG”的 tRNA 带来了氨基酸丝氨酸。

四个字母三个一组，有 64 种能够的字母组合；然而，细胞通常使用的人造氨基酸只有 20 种。是以，几个分歧的暗码子可所以同义的：它们都编码雷同的氨基酸，例如：TCG、TCA、AGC 和 AGT 都编码丝氨酸。

当初学界普遍猜想要是移除某些有意义的暗码子以及相关可以读取它们的tRNAs，能够可能使细胞具备各类分歧的性子，包含新的抗病毒形式以及有才能编码十分规杂聚物的生物合成。然而，这些假如仍旧没有在试验室中被证明。

为了摸索基因的奥妙，2019年，MRC分子生物学试验室的团队为年夜肠杆菌创立了第一个从头开端合成的全基因组。起首提取并阐发了家养年夜肠杆菌的基因构成，阐发每个基因关于年夜肠杆菌的生活意义。尔后颠末 2 年的光阴，研讨职员从新设计并合成了年夜肠杆菌所需的一切基因，再使用这些重组的基因合成了首个“天然”年夜肠杆菌。

全新设计并合成的人工基因组年夜约包括 400 万个碱基对。要是用尺度 A4 纸打印这些基因组，年夜约必要 970 页，这是人类汗青上初次合成那么长且简单的基因组。

在颠末 18218 次编纂后，迷信家们终于实现了对年夜肠杆菌一切基因的从新设计与归并。从新设计的碱基序列使用化学合成法合成并被一段一段地导入年夜肠杆菌内，终极人工合成的基因组全体取代了家养型基因组，首个完整合成且彻底改动了一种 DNA 组成的生物诞生了，其被定名为 Syn61 。

随后，他们还趁便简化年夜肠杆菌的基因组，删除了 TCG 和 TCA 的tRNA分子，并用同义词 AGC 和 AGT 替换了它们；删除了“终止”暗码子 TAG 的tRNA分子，并用其同义词 TAA 替换它。改革后的细菌基因组中不再有暗码子 TCG、TCA 和 TAG，但它们仍旧可以制作正常的卵白质并存活和成长。

这项研讨将合成基因组学畛域提升到了一个全新的程度，不仅胜利构建了迄今为止最年夜的合成基因组，并且编码变动也到达了迄今为止的最高程度。

天然年夜肠杆菌合成非自然新型聚合物

基于之前研讨的根底，MRC的迷信家想应用他们的新技术进一步发明出第一个可以完整用自然界中没有的构造组装聚合物的细胞。

在这次报道的研讨中，迷信家进一步对细菌进行了修饰，去除辨认暗码子TCG和TCA的tRNA分子。这象征着，即便遗传暗码中有TCG或TCA暗码子，细胞中也不再有可能读取这些暗码子的分子。

这关于任何试图感化细胞的病毒都是致命的，由于病毒通过将其基因组注入细胞并挟制细胞的机械来进行复制。病毒基因组仍旧包括年夜量 TCG、TCA 和 TAG 暗码子，但颠末修饰的细菌短少 tRNA 来读取这些暗码子。当颠末修饰的细菌试图读取病毒基因组时，每次达到 TCG、TCA 或 TAG 暗码子时都邑失败。

在这项研讨中，研讨职员用病毒混合物感化了他们的细菌。成果发现未经修饰的正常细菌被病鸩杀死，但颠末修饰的细菌对感化具备抵制力并存活上去。

这一研讨成果，初次在试验室中验证了迷信家们恒久以来的一个猜测，即移除细胞tRNAs能够发明对病毒的抵制力并使有意义暗码子产生重组。

并且研讨职员还将带有 TCG 和 TAG 暗码子串的基因序列拔出到细菌的 DNA 中。这些被改动的tRNA依照DNA暗码子序列界说的序列组装合成单体链。

通过对这些暗码子进行从新分派，为三种十分规氨基酸分派了响应的暗码子及tRNAs，完成了包括三种十分规氨基酸卵白质的生物合成。更有意思的是，这种年夜肠杆菌可以从新编码，用于编码多种非规范杂聚物和年夜环化合物的翻译。

在本次实验中，研讨职员可能制作出由多达八种单体串联而成的聚合物。他们将这些聚合物的末尾连贯在一路造成年夜环，这是一种组成某些药物（例如某些抗生素和抗癌药物）根底的分子。(100医药网100yiyao.com）