我们能随心所欲地重新编程现有的生命吗?

对于合成生物学家来说,答案是肯定的。生物学的中央代码很简单。在三组中,DNA字母被翻译成制造蛋白质的氨基酸-lego块。蛋白质构建我们的身体,调节我们的新陈代谢,并使我们能够用作生物。设计定制蛋白质通常意味着您可以重新设计寿命的小方面 - 例如,获得细菌以释放胰岛素等救生药物。

地球上的所有生命都遵循这条规则:64个DNA三联体密码子或“密码子”的组合被翻译成20个氨基酸。

可是等等。数学没有加起来。为什么64个专用密码子会使64个氨基酸?原因是冗余。生活进化,使得多个密码子经常制备相同的氨基酸。

那么,如果我们利用所有生物多余的“额外”密码子,而不是插入我们自己的密码呢?

剑桥大学(University of Cambridge)的一个团队最近就这么做了。在一个技术旅游力量, 他们用CRISPR更换超过18,000个密码子,合成氨基酸不存在于自然界中的任何地方。结果是一种几乎抵抗所有病毒感染的细菌 - 因为它缺乏常规蛋白质“门把手”,病毒需要感染细胞。

但这只是设计生命的超能力的开始。到目前为止,科学家们只能将一种设计好的氨基酸植入生物体内。这项新工作为同时破解多个现有密码子,同时复制编辑至少三个合成氨基酸打开了大门。当它达到20分之3时,就足以从根本上重写地球上存在的生命。

我们很久以为“解放了一个...重新分配的密码子可以提高遗传码扩展技术的鲁棒性和多功能性,”博士写道。在波士顿学院的Delilah Jewel和Abhishek Chatterjee,他没有参与该研究。“这项工作优雅地将梦想变为现实。”

黑客攻击DNA代码

我们的基因密码构成了生命、遗传和进化的基础。但它只有在蛋白质的帮助下才能起作用。

将由DNA的四个字母组成的基因翻译成生命的实际构件的程序依赖于一个完整的细胞解密工厂。

想想DNA的字母A,T,C和G-作为一个秘密代码,写在缠绕在短管轴缠绕的皱纹纸上。三个“字母”或密码子是CRUX-它们编码氨基酸的细胞。一个信使分子(mRNA),一个间谍,悄悄地复制DNA消息并潜入蜂窝世界,将消息穿梭于细胞的蛋白质工厂 - 一种中央智能组织。

在那里,工厂招募了多个“翻译人员”,将遗传密码破译为氨基酸,也就是恰当地命名为trna。这些字母被分成三组,每个转译tRNA将其相关的氨基酸一个接一个地拖到蛋白质工厂,这样,工厂最终会制造出一条链,包裹成3D蛋白质。

但就像任何强大的代码一样,大自然在dna到蛋白质的翻译过程中设置了冗余程序。例如,DNA编码TCG, TCA, AGC和AGT都编码一个氨基酸,丝氨酸。虽然它在生物学中起作用,但作者想知道:如果我们进入这个密码,劫持它,并用合成氨基酸改变生命的一些方向,会怎么样?

劫持自然代码

这项新的研究将自然的冗余看作是向细胞引入新能力的一种方式。

对我们来说,一个问题是“你能否减少用于编码特定氨基酸的密码子的数量,从而创造出可以自由生成其他单体[氨基酸]的密码子?”首席作者Jason Chin博士问道。

例如,如果TCG用于丝氨酸,为什么不释放其他的- tca, AGC和AGT -用于其他东西呢?

这是理论上的一个好主意,而是一个真正艰巨的练习任务。这意味着该团队必须进入一个单元格并替换他们想要重新编程的每一个密码子。几年后,同一组表明它是可能的大肠杆菌是实验室和制药公司最喜欢的虫子。当时,研究小组在合成生物学领域实现了天文飞跃大肠杆菌基因组从头开始。在这个过程中,他们也对自然基因组进行了尝试,通过用同义词替换一些氨基酸密码子来简化它——比如,移除tcg并用agc替换它们。即使进行了改良,细菌也能很容易地繁殖和繁殖。

这就像采取一本很长的书,并弄清楚哪些词要用同义词取代而不改变句子的含义 - 以便编辑没有物理上伤害细菌的生存。例如,一个技巧是删除被称为“释放因子1”的蛋白质,这使得更容易用全新的氨基酸重新编程UAG密码子。以前的工作表明,这可以将新的构建块分配给真正“空白”的自然密码子 - 这是,它们无论如何都不是完全编码的。

一种合成生物

Chin的团队更进一步。

这个团队发明了一种叫做REXER(复制子切除,通过程序重组增强基因组工程)的方法-是的,科学家们都在研究反向缩略词,其中包括神出神出的基因编辑工具,CRISPR-Cas9。利用CRISPR,他们精确地剪掉了大肠杆菌基因组的大部分,这些基因组完全是在试管中从无开始合成的,然后用同义词密码子替换了18000多个编码丝氨酸的“额外”密码子。

因为诀窍仅针对冗余蛋白质代码,所以细胞能够围绕他们的正常业务 - 包括制作丝氨酸 - 但现在有多个自然密码子。这就像用“oy”替换“嗨”,让“嗨”,现在可以自由分配完全不同的含义。

小组接下来做了一些室内清洁。他们移除了细胞的天然翻译器——trnas,而trnas通常能在不伤害细胞的情况下读取现已失效的密码子。他们引入了新的合成版本的tRNAs来读取新的密码子。这些经过改造的细菌随后在试管中自然进化,以更快地生长。

结果是惊人的。这种超能力菌株Syn61.Δ3(ev5)基本上是一种细菌x战警,它生长迅速,能抵抗通常感染细菌的各种病毒的混合物。

“因为所有生物学都使用相同的遗传密码,相同的64个密码子和相同的20个氨基酸,这意味着病毒也使用相同的代码......他们使用细胞的机制来构建病毒蛋白来再现病毒,”下巴解释。现在,细菌细胞不能再读取自然的标准遗传密码,病毒不能再挖掘细菌机械以再现 - 意味着工程细胞现在抵抗几乎任何病毒侵犯者。

Chin说:“这些细菌可能会变成可再生和可编程的工厂,产生具有新特性的广泛新分子,这可能对生物技术和医学有好处,包括制造新的药物,比如新的抗生素。”

除了病毒感染,这项研究改写了合成生物学的可能性。

Jewel和Chatterjee说:“这将使无数的应用成为可能。”例如,完全人工生物聚合物,即与生物学兼容的材料,可以改变整个学科,例如医学脑机接口。在这里,该团队能够串联一种人工氨基酸构建块,以制备一种形式,这些分子构成了一些药物的基础,例如癌症或抗生素。

但也许最令人兴奋的前景是能够戏剧性地改写现有的生命。与细菌相似,我们——以及生物圈中的所有生命——都以相同的生物密码运行。这项研究现在表明,通过利用我们的自然生物过程,我们有可能克服只有20种氨基酸构成生命的基石这一障碍。

接下来,该团队正在寻求潜在进一步重新编程我们的天然生物学代码,以将更多的合成蛋白质构建块编码为细菌细胞。例如,他们也将转向其他细胞 - 哺乳动物,看看是否可以压缩我们的遗传密码。

图像信用:nadya_ilPixabay