在合成生物學(xué)中，人們總是希望將細(xì)菌基因組改造出有益性狀。當(dāng)使用這些改造的細(xì)菌來(lái)發(fā)酵生產(chǎn)藥物（例如胰島素）或其他有用物質(zhì)（例如生物燃料）時(shí)，有兩個(gè)需要警惕兩方面的問(wèn)題。一方面是，如果這些發(fā)酵罐中的細(xì)菌被病毒污染，就會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，造成巨大損失。另一方面是，需要防止這些改造過(guò)的細(xì)菌逃逸到自然界，造成潛在危害。

此前已有一些研究通過(guò)對(duì)生物體進(jìn)行密碼子工程設(shè)計(jì)，以防止病毒感染和基因的水平轉(zhuǎn)移，從而為自然生態(tài)系統(tǒng)建立“防火墻”。然而，許多病毒和可移動(dòng)遺傳元件自帶的部分翻譯裝置，可能使得“防火墻”失效。

2023年3月15日，哈佛大學(xué)喬治·丘奇（George Church）實(shí)驗(yàn)室在 Nature 發(fā)表了題為：A swapped genetic code prevents viral infections and gene transfer 的研究論文。

該研究在基因工程和合成生物學(xué)領(lǐng)域邁出了一大步，創(chuàng)造出了一種可以抵抗迄今已知所有天然病毒感染的大腸桿菌。而且，研究團(tuán)隊(duì)還在這種改造的大腸桿菌中加了雙保險(xiǎn)，能最大程度上防止這種改造的大腸桿菌及其修飾基因逃逸到自然界。

這項(xiàng)研究能夠在利用合成生物學(xué)技術(shù)生產(chǎn)藥物或其他有用物質(zhì)時(shí)避免病毒污染帶來(lái)的巨大損失。而且，該技術(shù)還可以用用于轉(zhuǎn)基因生物中，能夠防止轉(zhuǎn)基因的逃逸及其可能帶來(lái)的潛在危害。

值得一提的是，論文作者還包括來(lái)自金斯瑞生物（GenScript）的三位員工。

論文第一作者 Akos Nyerges 表示，我們首次開發(fā)出了一種技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)一種不會(huì)被任何已知病毒感染的生物體，截至目前，廣泛的實(shí)驗(yàn)室研究和計(jì)算分析顯示，還沒有一種病毒能夠感染它們。而且，我們還在其基因組中內(nèi)置了安全措施，以防止這些被修改過(guò)的遺傳物質(zhì)進(jìn)入自然界中。

2022年10月，劍橋大學(xué)的研究人員在 Science 期刊發(fā)表了一篇題為：Refactored genetic codes enable bidirectional genetic isolation 的研究論文。該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們通過(guò)重構(gòu)遺傳密碼開發(fā)出了一種對(duì)病毒免疫的大腸桿菌——Syn61Δ3。

劍橋大學(xué)團(tuán)隊(duì)所使用的的方法是對(duì)大腸桿菌基因組進(jìn)行重組，使其從61組密碼子中編碼維持生命所需的全部蛋白質(zhì)，而不是自然狀態(tài)下的64組密碼子。按照這一設(shè)想，病毒難以在缺失了幾組密碼子的大腸桿菌內(nèi)復(fù)制，也就無(wú)法感染和劫持細(xì)胞。

然而，Akos Nyerges 等人對(duì)大腸桿菌流行的地方進(jìn)行采樣，例如雞舍、鼠窩、污水，從中發(fā)現(xiàn)了可以感染上述改造的大腸桿菌的病毒。也就是說(shuō)，這種改造的大腸桿菌并不能完全抵御病毒感染。他們發(fā)現(xiàn)，僅僅減少幾組密碼子是不夠的，有些病毒能夠繞過(guò)這些缺失的密碼子。

喬治·丘奇團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，要想構(gòu)建出真正抵抗任何病毒感染的生物體，關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)運(yùn)RNA，也就是tRNA。

喬治·丘奇

我們知道，mRNA上每三個(gè)堿基組成一個(gè)密碼子，對(duì)應(yīng)一個(gè)氨基酸，在mRNA翻譯成蛋白質(zhì)的過(guò)程中，tRNA通過(guò)自身的反密碼子識(shí)別mRNA上的密碼子，并將該密碼子對(duì)應(yīng)的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)至核糖體合成的多肽鏈上，從而執(zhí)行mRNA翻譯蛋白質(zhì)的過(guò)程。

在mRNA翻譯蛋白質(zhì)過(guò)程中，六種密碼子均對(duì)應(yīng)著絲氨酸，劍橋大學(xué)團(tuán)隊(duì)刪除了其中兩個(gè)絲氨酸密碼子TCG和TCA，以及對(duì)應(yīng)的tRNA。喬治·丘奇團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步添加了新的誘騙tRNA，這些誘騙tRNA會(huì)把TCG和TCA從原本的絲氨酸識(shí)別為亮氨酸。

而亮氨酸和絲氨酸在物理和化學(xué)上的區(qū)別是最大的。當(dāng)入侵病毒（噬菌體）注入自己充滿TCG和TCA的遺傳密碼，并嘗試劫持大腸桿菌制造病毒蛋白時(shí)，這些tRNA就會(huì)打亂病毒的合成指令，在蛋白質(zhì)序列中引入錯(cuò)誤的氨基酸，從而合成無(wú)功能的病毒蛋白質(zhì)，這也意味著病毒無(wú)法完成復(fù)制，也就無(wú)法進(jìn)一步感染更多細(xì)胞。

病毒蛋白的錯(cuò)誤翻譯阻礙了病毒的復(fù)制

雖然病毒也配備了自己的tRNA，它們能夠?qū)CG和TCA正確轉(zhuǎn)換為絲氨酸，但研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)，在大腸桿菌中引入的誘騙tRNA效率很高，能夠壓倒來(lái)自病毒的tRNA。

研究團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)工作可能已經(jīng)清除了使細(xì)菌對(duì)所有病毒免疫的最后一個(gè)障礙，構(gòu)建出了對(duì)已知病毒完全免疫的生物體，如果病毒想要突破這一點(diǎn)，就需要同時(shí)產(chǎn)生幾十種特定的突變，這對(duì)自然進(jìn)化來(lái)說(shuō)，非常非常不可能出現(xiàn)。

為了保險(xiǎn)起見，研究團(tuán)隊(duì)還在改造的大腸桿菌上添加了兩個(gè)獨(dú)立的保障措施。

第一個(gè)保障措施是防止水平基因轉(zhuǎn)移，這是一種不斷發(fā)生的自然現(xiàn)象，指遺傳物質(zhì)被水平轉(zhuǎn)移給非子代的其他細(xì)胞。由于研究團(tuán)隊(duì)在改造的大腸桿菌中將亮氨酸的密碼子替換成了TCG或TCA，如果這些改造的大腸桿菌的遺傳物質(zhì)水平轉(zhuǎn)移到了其他生物體中，那么這些生物體的天然tRNA仍然將TCG和TCA轉(zhuǎn)換為絲氨酸，從而得到一堆沒有進(jìn)化優(yōu)勢(shì)的亂碼蛋白。同樣，如果改造的大腸桿菌的誘騙tRNA被水平轉(zhuǎn)移到了其他生物體，那么這些誘騙tRNA會(huì)將代表絲氨酸的密碼子誤讀為亮氨酸密碼子，從而殺死細(xì)胞，防止進(jìn)一步傳播。

TCG或TCA編碼亮氨酸，抑制了水平基因轉(zhuǎn)移

也就是說(shuō)，任何逃逸的誘騙tRNA都“走不遠(yuǎn)”，因?yàn)樗鼈儗?duì)自然生物體有毒。這也代表了第一種能夠阻止轉(zhuǎn)基因生物的基因水平轉(zhuǎn)移到天然生物的技術(shù)。

第二個(gè)保障措施是，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的細(xì)菌本身無(wú)法在受控環(huán)境之外生存。這些改造的大腸桿菌必須依賴實(shí)驗(yàn)室制造的非天然氨基酸生存，這種非天然氨基酸在自然界并不存在。因此，它們一旦逃逸，就會(huì)因?yàn)槿狈Ψ翘烊话被醽?lái)源而迅速死亡。因此，不會(huì)有人類或者其他生物體被這些大腸桿菌感染的風(fēng)險(xiǎn)。

最后，研究團(tuán)隊(duì)表示，希望使用這種改造的大腸桿菌來(lái)生產(chǎn)醫(yī)用合成材料，從而告別之前昂貴的化學(xué)合成。合成生物學(xué)的大門正在徐徐打開，而新的探索才剛剛開始。