我們知道，自然界的生物採用一套通用密碼來儲存遺傳信息。美妙的DNA長鏈中，每三個化學鹼基（核苷酸）組成一個「密碼」，編寫一個特定的胺基酸或一個終結蛋白質合成的信號。
代表四種化學鹼基的四個字母——A、T、C、G——排列組合出64種密碼子，為20種必需胺基酸編碼。一種胺基酸對應於不止一個密碼子，在合成生物學家眼中，這種冗餘可以得到優化。
頂尖學術期刊《自然》今日上線的一篇論文中，英國劍橋MRC分子生物學實驗室的Jason Chin教授與其同事就在大腸桿菌中實現了目標。他們重新編碼了一個大腸桿菌菌株的全部基因組，只用59個密碼子就合成出所有的必需胺基酸，代表終止信號的密碼子也從3個壓縮為2個。而「節省」下來的密碼子，可以為將來在活細胞內生成非天然的「定製蛋白質」提供合成空間。
打個粗略的比方，這項工作就好像在生物體的基因組中做了全文查找替換，把特定的幾個詞全部替換為它們的同義詞。在64個三聯密碼子中，TAA、TAG和TGA都代表終止信號，研究人員找出基因組開放閱讀框中的TAG密碼子，全部替換為同樣表達終止的TAA。而在編碼必需胺基酸的61個密碼子中，有6個密碼子用來編碼絲氨酸，研究人員把其中的兩個（TCC和TCA）替換為它們的同義密碼子（AGC和AGT）。
▲按照設計，原大腸桿菌中的三個密碼子被替換為它們的同義密碼子（圖片來源：《自然》）
然而，說來簡單，實際上在研究人員實現替換的大腸桿菌細胞內，DNA信息「文本」很大，共由400萬對鹼基寫成，經過重新編碼設計，被「同義詞」替換的密碼子共有18218個。
為了在基因組中實現高效替換，Chin教授與其同事採用了一種巧妙的拆解和替代的方法。他們把大腸桿菌4Mb的基因組先隔斷為8大段，再每段隔為4~5個中片段，進而分解為長度10kb左右的小片段。
▲整個基因組被分為37個片段，逐段被人工合成的DNA片段替換（圖片來源：《自然》）
接下來，該研究團隊充分運用了他們此前開發的一種方法，以人工合成的DNA序列來取代大腸桿菌基因組中的小片段。這種名為REXER的方法，結合了CRISPR/Cas9基因編輯手段，降低了編輯DNA的成本，同時提高了精度。
在REXER的基礎上，研究團隊設計了一種名為GENESIS的基因組合成路線，通過不斷迭代，逐步替換基因組中其他片段，最終將8個重編碼的大片段裝配成完整的基因組，創建出純粹為人造基因組的大腸桿菌，這也是迄今為止科學家得到的基因組替換規模最大的生物體。
測序結果顯示，新合成的大腸桿菌「Syn61」中，三個目標密碼子全部被同義密碼子取代。同時，這些缺少了特定密碼子的大腸桿菌仍能維持生命，可以在培養普通大腸桿菌的培養基中生長，說明重新編寫成功了！
移除密碼子還只是改寫生命藍圖的開始。在Jason Chin教授看來，釋放出的多餘密碼子在未來可以被用於許多其他途徑，例如，讓相應密碼子的轉運RNA改去接附其他的非天然胺基酸，從而在細胞或生物體內合成新的多肽或蛋白質，也將為工業應用中構建更廣泛的蛋白質打開大門。
參考資料：
[1] Julius Fredens et al., (2019) Total synthesis of Escherichia coli with a recoded genome. Nature. DOI: 10.1038/s41586-019-1192-5
[2] Kaihang Wang et al., (2016) Defining synonymous codon compression schemes by genome recoding. Nature. DOI: 10.1038/nature20124