有史以來第一次，科學家創造出了一個純粹人造基因組的生物體，這標誌著人類實現了自然界遺傳密碼的徹底重新編寫。
根據《自然》雜誌5月16日發布的最新論文顯示，英國劍橋大學MRC分子生物學實驗室的賈森·欽（Jason Chin）教授與其同事重新編碼了一個大腸桿菌菌株的全部基因組。
研究人員表示，他們已經用實驗室合成的完整基因組副本替換了大腸桿菌的所有基因，這是朝著創造細菌邁出的重要一步。研究人員介紹，這些細菌通過基因改造，可以製成特定的聚合物等材料，並為在未來添加病毒抗性等新特性的生物製造鋪平了道路。
《利用重組基因組進行的大腸桿菌的全合成》 圖自《自然》
超過1.8萬次編輯，進行基因組內的「查找替換」
據《衛報》介紹，此次合成的人工基因組包含400萬對鹼基對，這些鹼基對是由字母G、A、T和C組成的遺傳密碼單位構成。這些鹼基對全部列印在A4紙上，長達970頁，是迄今為止科學家們構建的最大基因組。
「之前我們完全不確定，是否有可能讓一個基因組變得如此之大，以及是否有可能對它進行如此大的改變。」領導該項目的合成生物學專家賈森·欽(Jason Chin)表示。
從水母到人類，幾乎所有的生命都使用64個密碼子。但實際上，這些密碼子中有一部分發揮著相同的作用。這64個密碼子中，有61個密碼子產生20種天然胺基酸，這些胺基酸可以像串珠一樣串在一起，形成自然界中的任何蛋白質，另外3個密碼子實際上是停止信號。
因此，劍橋大學的研究小組著手重新設計大腸桿菌基因組的主要工作，就是去除其中一些「多餘」的密碼子。科學家們仔細檢查了這種細菌的DNA，每當他們遇到TCG，即產生一種叫做絲氨酸的胺基酸的密碼子，他們就把它重寫為AGC，他們以類似的方式替換了另外兩個密碼子，等於進行了一種「同義詞替換」的改寫。
在超過18000次的編輯之後，科學家們已經從這種細菌的基因組中刪除了這三個密碼子的每一次出現，這意味著，重新合成的大腸桿菌只有61個密碼子，而不是通常的64個。
在此之後，重新設計的遺傳密碼然後開始化學合成，一塊一塊地添加到大腸桿菌中，取代了有機體的自然基因組，一種微生物的DNA編碼就此完全合成，並發生了根本性的改變。
這種名為Syn61的病毒比正常病毒稍長一些，生長速度也慢一些，但仍然存活了下來。
新合成的大腸桿菌Syn61 圖自《衛報》
設計生命形式的重大利好：未來或用於生物製藥
賈森·欽教授相信，這樣的設計生命形式遲早會派上用場。
由於大腸桿菌和普通細菌的DNA不同，入侵病毒將難以在體內傳播，使它們實際上具有了抗病毒能力，而這可能帶來重大利好。因為目前，大腸桿菌已經被生物製藥工業用於製造治療糖尿病的胰島素和其他治療癌症、多發性硬化症、心臟病和眼科疾病的藥物，但當細菌培養物被病毒或其他微生物汙染時，整個生產過程可能會被破壞，而這種經過重組的細菌就能夠避免這些問題。
這還不是全部——在未來的工作中，這些被解放的基因代碼可以被重新利用，使細胞大量生產蛋白質和藥物。
「因此，這一成功在一方面是技術成就，另一方面也向人類展示了生物學的一些本質特性，以及遺傳密碼具有多大的可塑性。」賈森·欽教授表示，解碼大腸桿菌基因組意味著，代碼中未使用的部分現在可以被用於其他作用。
而至於生物學本質特性的問題，賈森·欽表示，自從20世紀60年代起，當科學家們第一次破解這個密碼時，人們就一直不清楚為什麼它會以這樣的方式工作——有這麼多的可能性，為什麼偏偏是這樣的一種方式?
1968年，DNA化學結構的共同發現者弗朗西斯·克裡克認為，一旦基本生命形式進化出來，三重密碼就會被鎖定，因為任何偏離通用程序的行為都將是一個巨大的劣勢。
「但是，通過移除密碼子，我們正在打破這種共同的語言，我們正在解凍代碼。」賈森·欽說。
科學家正在嘗試用更多編碼變化製造細菌基因組
實際上，前兩次合成細菌基因組是2008年和2010年在J.克雷格文特爾研究所(J. Craig Venter Institute)創建的。
第一次進行合成的細菌名為支原體，其基因組比大腸桿菌要小，大約只有100萬對鹼基對，而且，在這次試驗中，並沒有進行徹底的重新設計。因此，此次劍橋大學科學家合成的大腸桿菌基因組的大小是它們的四倍，創造了新的紀錄。
美國研究集團克萊德·哈奇森(Clyde Hutchison)在評論這次最新成果時表示:「這種基因組置換規模，比迄今報導的任何完整基因組置換規模都要大。」
基因數量對比 圖自《自然》）
倫敦帝國理工學院(Imperial College London)合成生物學研究員湯姆·埃利斯(Tom Ellis)表示:「他們將合成基因組學領域提升到了一個新的水平，不僅成功構建了迄今為止最大的合成基因組，而且對基因組的編碼變化也達到了迄今為止的最高水平。」
但這些紀錄可能不會持續太久——目前，埃利斯和其他人正在為麵包酵母構建一個合成基因組，除此之外，哈佛大學的科學家們也正在用更多的編碼變化來製造細菌基因組。
紅星新聞記者 翟佳琦 編譯報導
編輯 汪垠濤