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Science:剑桥科学家首次通过人造大肠杆菌,实现病毒抵抗以及人工聚合物合成

编译者:hujm发布时间:Jun 10, 2021点击量:23 来源栏目:科技动态

大肠杆菌作为一种重要的模式工业微生物,在医药、化工、农业等方面具有广泛的应用。近30年来,多种代谢工程改造的新策略和新技术,被用于设计、构建和优化大肠杆菌细胞工厂,极大地提高了生物法合成化学品的生产速率和产量。

不过,此前对于大肠杆菌的利用,仅局限在自然界中存在的物质上,无法满足人们对于化工生产的需求。长期以来,科学家一直努力改造大肠杆菌,试图让它按照人们的设计合成自然界中未曾出现的聚合物。

近日,来自英国剑桥医学研究委员会(MRC)分子生物学实验室 Jason W. Chin 教授带领的团队,在全人工合成的大肠杆菌体内,通过敲除相关密码子TCG,TGA,TAG的tRNAs和释放因子,使该菌株实现了对噬菌体的完美抵抗力。同时将有意义密码子重新分配给非常规单体,实现了不同非常规单体的高效连续聚合以产生非常规杂聚物和大环化合物。

该研究以“Sense codon reassignment enables viral resistance and encoded polymer synthesis”为题,发表在最新一期的 Science 杂志上。

对此 Chin 教授表示,“全人工合成的大肠杆菌,可以允许我们按自己的需求编辑基因,用自然界中不存在的单体制造聚合物。因此,这些细菌可能会变成可再生和可编程的化工厂,生产各种新颖的分子。这对于生物技术以及新药以及抗生素的合成都是非常有帮助的。”

探索ATGC的秘密,重写大肠杆菌基因组

我们都知道 DNA 中的遗传密码由四个碱基组成,由字母 A、T、C 和 G 表示。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'密码子'。

每个密码子都告诉细胞向链中添加一个特定的氨基酸。每个密码子都有一个特定的tRNA识别它,并添加相应的氨基酸,例如:识别密码子“TCG”的 tRNA 带来了氨基酸丝氨酸。

四个字母三个一组,有 64 种可能的字母组合;然而,细胞通常使用的天然氨基酸只有 20 种。因此,几个不同的密码子可以是同义的:它们都编码相同的氨基酸,例如:TCG、TCA、AGC 和 AGT 都编码丝氨酸。

现在学界广泛猜测如果移除某些有意义的密码子以及相关可以读取它们的tRNAs,可能能够使细胞具有各种不同的性质,包括新的抗病毒模式以及有能力编码非常规杂聚物的生物合成。然而,这些假设仍然没有在实验室中被证实。

为了探索基因的奥秘,2019年,MRC分子生物学实验室的团队为大肠杆菌创建了第一个从头开始合成的全基因组。首先提取并分析了野生大肠杆菌的基因组成,分析每个基因对于大肠杆菌的生存意义。此后经过 2 年的时间,研究人员重新设计并合成了大肠杆菌所需的所有基因,再使用这些重组的基因合成了首个“人造”大肠杆菌。

全新设计并合成的人工基因组大约包含 400 万个碱基对。如果用标准 A4 纸打印这些基因组,大约需要 970 页,这是人类历史上首次合成那么长且复杂的基因组。

在经过 18218 次编辑后,科学家们终于完成了对大肠杆菌所有基因的重新设计与合并。重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大肠杆菌内,最终人工合成的基因组全部代替了野生型基因组,首个完全合成且彻底改变了一种 DNA 构成的生物诞生了,其被命名为 Syn61 。

随后,他们还顺便简化大肠杆菌的基因组,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”密码子 TAG 的tRNA分子,并用其同义词 TAA 替换它。改造后的细菌基因组中不再有密码子 TCG、TCA 和 TAG,但它们仍然可以制造正常的蛋白质并存活和生长。

这项研究将合成基因组学领域提升到了一个全新的水平,不仅成功构建了迄今为止最大的合成基因组,而且编码变化也达到了迄今为止的最高水平。

人造大肠杆菌合成非自然新型聚合物

基于之前研究的基础,MRC的科学家想利用他们的新技术进一步创造出第一个可以完全用自然界中没有的结构组装聚合物的细胞。

在此次报道的研究中,科学家进一步对细菌进行了修饰,去除识别密码子TCG和TCA的tRNA分子。这意味着,即使遗传密码中有TCG或TCA密码子,细胞中也不再有能够读取这些密码子的分子。

这对于任何试图感染细胞的病毒都是致命的,因为病毒通过将其基因组注入细胞并劫持细胞的机器来进行复制。病毒基因组仍然包含大量 TCG、TCA 和 TAG 密码子,但经过修饰的细菌缺少 tRNA 来读取这些密码子。当经过修饰的细菌试图读取病毒基因组时,每次到达 TCG、TCA 或 TAG 密码子时都会失败。

在这项研究中,研究人员用病毒混合物感染了他们的细菌。结果发现未经修饰的正常细菌被病毒杀死,但经过修饰的细菌对感染具有抵抗力并存活下来。

这一研究结果,首次在实验室中验证了科学家们长期以来的一个猜想,即移除细胞tRNAs可能创造对病毒的抵抗力并使有意义密码子发生重组。

而且研究人员还将带有 TCG 和 TAG 密码子串的基因序列插入到细菌的 DNA 中。这些被改变的tRNA按照DNA密码子序列定义的序列组装合成单体链。

通过对这些密码子进行重新分配,为三种非常规氨基酸分配了相应的密码子及tRNAs,实现了包含三种非常规氨基酸蛋白质的生物合成。更有意思的是,这种大肠杆菌可以重新编码,用于编码多种非规范杂聚物和大环化合物的翻译。

在本次试验中,研究人员能够制造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端连接在一起形成大环,这是一种构成某些药物(例如某些抗生素和抗癌药物)基础的分子。

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