研究人员如何以及为何修改了大肠杆菌的基因配方

乔治教会实验室的研究人员，哈佛医学院遗传学教授罗伯特温思罗普和哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的核心教员正致力于生产迄今为止修饰最多的细菌基因组。研究人员认为，他们开发的方法将帮助那些试图同时对任何生物体的基因组进行多次编辑的人。

哈佛医学新闻与教会实验室博士后研究员Nili Ostrov和研究生Matthieu Landon就如何进行研究以及该研究成果对基因组工程领域的意义进行了交谈。

HMS：这项工作有什么新鲜事?

LANDON：以前，我们的实验室使用精确的基因组编辑技术，每次在大肠杆菌细菌的基因组中出现时，用一个特定密码子替换大约300个实例。密码子是三个字母的DNA序列，编码氨基酸，蛋白质的构建块。取代那个单一的密码子是一项艰巨的任务。

在这里，我们想要进行超过60,000个基因组更改，这样我们就可以同时替换一个而不是七个密码子。我们不是逐步编辑现有的基因组，而是通过计算设计和合成一个全新的大肠杆菌基因组，并已经内置了所有必需的遗传修饰。

HMS：它有用吗?

OSTROV：虽然我们尚未完成，但迄今为止它的效果非常好。我们在87个重叠区段构建了合成基因组，我们在活细胞中逐个测试它们。我们的目标是确认，当我们将重新编码的基因插入细胞时，细胞保持存活并正常表达蛋白质。然后我们将所有片段组合成一个完全重新编码的基因组。

LANDON：到目前为止，我们已经仔细检查了大约三分之二的基因组(87个细分中的55个)，令我们高兴和惊讶的是，我们在2,229个测试基因中只有13个发现了问题。考虑到我们所做的改变程度，这是一个非常小的数字，这使我们相信我们的方法是有效的，我们可以完成最终的有机体。

HMS：为什么不立刻测试整个基因组?

OSTROV：如果我们同时进行了所有的改变，然后基因组不起作用，就很难确切地确定4,000个改变的基因中的哪一个很麻烦。另一方面，测试单个基因需要很长时间。

LANDON：这就是我们为测试选择中间段大小的原因。使用这些较大的DNA片段可以让我们同时测试批次的基因 - 但不能太多 - 以便我们可以快速解决任何问题。这是我们装配方法的一个重要方面。

HMS：您已经将这种大肠杆菌基因组描述为“高度修饰的”。那是什么意思?

OSTROV：一方面是我们正在改变DNA代码的翻译方式。地球上的大多数生物使用64个密码子将其DNA翻译成蛋白质。我们的重新编码的大肠杆菌设计为仅使用57个密码子。

我们正在将可用于改变全基因组的技术推向前所未有的水平。与其天然基因组相比，没有其他合成生物具有如此多的变化。

HMS：你为什么要那样做?

LANDON：主要原因是我们试图建立的细菌菌株将具有对医学和工业应用有用的新特性，这些特性很难或不可能通过所谓的基因组的准时变化获得。

有用特性的实例是病毒抗性和遗传分离。使用细菌菌株产生许多有价值的化合物，包括诸如胰岛素的药物。通常，如果病毒感染了一批产生药物的细菌，则必须停止整株植物，并将所有受感染的批次丢弃。拥有抗病毒的细菌可以预防这些问题，并可能节省数百万美元。

OSTROV：您也可以使用合成生物进行基础科学研究。我们不知道任何其他仅使用57个密码子的生物体，研究大规模密码子交换的影响将非常有趣。

HMS：如何去除密码子有助于抵抗病毒?似乎更直观的是你需要添加DNA，而不是把它拿走。

OSTROV：这是一个很好的问题。去除密码子相当于去除遗传“字母”，改变细菌的遗传语言。

LANDON：病毒劫持细胞复制。为此，它们依赖于具有与它们自身相同的遗传密码的宿主细胞。通过彻底改变我们细菌菌株的遗传密码，我们使其与病毒的相容性降低。我们下调到57个密码子，因为据我们所知，大多数试图感染该菌株的病毒都无法复制。

HMS：还原密码子生物体还有哪些其他可能性?

LANDON：你能做什么 - 这不是我们在这项工作中所要解决的问题，而是合成生物学的长期目标之一 - 重新利用你已经删除的密码子。缺乏密码子的细胞将不再知道它的含义，因此我们现在可以给密码子一个新的含义 - 我们可以使它编码一个新的氨基酸。这些“非标准”氨基酸现已被许多研究小组用于生产具有不同特性的新型蛋白质。

您还可以使用非标准氨基酸来确保生物体是生物携带的 - 即，使其依赖于自然界中不存在的物质，因此它无法在受控实验室或工业环境之外生存。

HMS：你说调用基因组高度修改还有另外一个方面吗?

OSTROV：是的。它是100%合成的。大多数细胞是亲代细胞的女儿，携带父母DNA的拷贝。这种有机体的DNA将是100%化学合成的，而不是自然复制的。

我们在计算机上设计了完整的DNA代码。我们用化学制造了DNA。然后我们把它放在一个活细胞里。该基因组是我们的计算设计和大肠杆菌基因组蓝图的混合体。

LANDON：编辑文本(我们以前做得非常有效)和编写新文本的能力之间真的不同。现在我们可以写出整个大肠杆菌基因组的规模，这是非常大的。

HMS：有人会说这很有力量。

OSTROV：与所有其他技术一样，它需要得到适当的控制，并且需要公开审查。我们非常清楚需要负责任，并以有益，安全的方式进行合成生物学。生物防护是朝着这个方向迈出的第一步。

HMS：这项工作如何与关于“编写”人类基因组的讨论相关?

OSTROV：它肯定表明我们可以编写大型基因组，但它也表明这不是一件容易的事情。即使使用比人类更小且更简单的大肠杆菌基因组，我们仍需要解决许多技术挑战。不是，'哦，在这里。合成生物才起作用。这些都是可能的，但这是一个过程。

HMS：你在沿途学习什么?

LANDON：很难预测基因组序列变化的生物学效应。我们已经开始分析大量数据 - 细胞适应度，基因表达等的测量 - 让科学界对它进行研究将非常有趣。

然后，我们发现的每个问题通常都是我们在设计阶段没有预料到的，这意味着它在生物学层面上很有趣。我们一直在寻找当前模型都没有解释的东西。