喬治教會實(shí)驗(yàn)室的研究人員，哈佛醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)教授羅伯特溫思羅普和哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所的核心教員正致力于生產(chǎn)迄今為止修飾最多的細(xì)菌基因組。研究人員認(rèn)為，他們開發(fā)的方法將幫助那些試圖同時對任何生物體的基因組進(jìn)行多次編輯的人。

哈佛醫(yī)學(xué)新聞與教會實(shí)驗(yàn)室博士后研究員Nili Ostrov和研究生Matthieu Landon就如何進(jìn)行研究以及該研究成果對基因組工程領(lǐng)域的意義進(jìn)行了交談。

HMS：這項(xiàng)工作有什么新鮮事?

LANDON：以前，我們的實(shí)驗(yàn)室使用精確的基因組編輯技術(shù)，每次在大腸桿菌細(xì)菌的基因組中出現(xiàn)時，用一個特定密碼子替換大約300個實(shí)例。密碼子是三個字母的DNA序列，編碼氨基酸，蛋白質(zhì)的構(gòu)建塊。取代那個單一的密碼子是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

在這里，我們想要進(jìn)行超過60,000個基因組更改，這樣我們就可以同時替換一個而不是七個密碼子。我們不是逐步編輯現(xiàn)有的基因組，而是通過計(jì)算設(shè)計(jì)和合成一個全新的大腸桿菌基因組，并已經(jīng)內(nèi)置了所有必需的遺傳修飾。

HMS：它有用嗎?

OSTROV：雖然我們尚未完成，但迄今為止它的效果非常好。我們在87個重疊區(qū)段構(gòu)建了合成基因組，我們在活細(xì)胞中逐個測試它們。我們的目標(biāo)是確認(rèn)，當(dāng)我們將重新編碼的基因插入細(xì)胞時，細(xì)胞保持存活并正常表達(dá)蛋白質(zhì)。然后我們將所有片段組合成一個完全重新編碼的基因組。

LANDON：到目前為止，我們已經(jīng)仔細(xì)檢查了大約三分之二的基因組(87個細(xì)分中的55個)，令我們高興和驚訝的是，我們在2,229個測試基因中只有13個發(fā)現(xiàn)了問題。考慮到我們所做的改變程度，這是一個非常小的數(shù)字，這使我們相信我們的方法是有效的，我們可以完成最終的有機(jī)體。

HMS：為什么不立刻測試整個基因組?

OSTROV：如果我們同時進(jìn)行了所有的改變，然后基因組不起作用，就很難確切地確定4,000個改變的基因中的哪一個很麻煩。另一方面，測試單個基因需要很長時間。

LANDON：這就是我們?yōu)闇y試選擇中間段大小的原因。使用這些較大的DNA片段可以讓我們同時測試批次的基因 - 但不能太多 - 以便我們可以快速解決任何問題。這是我們裝配方法的一個重要方面。

HMS：您已經(jīng)將這種大腸桿菌基因組描述為“高度修飾的”。那是什么意思?

OSTROV：一方面是我們正在改變DNA代碼的翻譯方式。地球上的大多數(shù)生物使用64個密碼子將其DNA翻譯成蛋白質(zhì)。我們的重新編碼的大腸桿菌設(shè)計(jì)為僅使用57個密碼子。

我們正在將可用于改變?nèi)蚪M的技術(shù)推向前所未有的水平。與其天然基因組相比，沒有其他合成生物具有如此多的變化。

HMS：你為什么要那樣做?

LANDON：主要原因是我們試圖建立的細(xì)菌菌株將具有對醫(yī)學(xué)和工業(yè)應(yīng)用有用的新特性，這些特性很難或不可能通過所謂的基因組的準(zhǔn)時變化獲得。

有用特性的實(shí)例是病毒抗性和遺傳分離。使用細(xì)菌菌株產(chǎn)生許多有價(jià)值的化合物，包括諸如胰島素的藥物。通常，如果病毒感染了一批產(chǎn)生藥物的細(xì)菌，則必須停止整株植物，并將所有受感染的批次丟棄。擁有抗病毒的細(xì)菌可以預(yù)防這些問題，并可能節(jié)省數(shù)百萬美元。

OSTROV：您也可以使用合成生物進(jìn)行基礎(chǔ)科學(xué)研究。我們不知道任何其他僅使用57個密碼子的生物體，研究大規(guī)模密碼子交換的影響將非常有趣。

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

OSTROV：這是一個很好的問題。去除密碼子相當(dāng)于去除遺傳“字母”，改變細(xì)菌的遺傳語言。

LANDON：病毒劫持細(xì)胞復(fù)制。為此，它們依賴于具有與它們自身相同的遺傳密碼的宿主細(xì)胞。通過徹底改變我們細(xì)菌菌株的遺傳密碼，我們使其與病毒的相容性降低。我們下調(diào)到57個密碼子，因?yàn)閾?jù)我們所知，大多數(shù)試圖感染該菌株的病毒都無法復(fù)制。

HMS：還原密碼子生物體還有哪些其他可能性?

LANDON：你能做什么 - 這不是我們在這項(xiàng)工作中所要解決的問題，而是合成生物學(xué)的長期目標(biāo)之一 - 重新利用你已經(jīng)刪除的密碼子。缺乏密碼子的細(xì)胞將不再知道它的含義，因此我們現(xiàn)在可以給密碼子一個新的含義 - 我們可以使它編碼一個新的氨基酸。這些“非標(biāo)準(zhǔn)”氨基酸現(xiàn)已被許多研究小組用于生產(chǎn)具有不同特性的新型蛋白質(zhì)。

您還可以使用非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸來確保生物體是生物攜帶的 - 即，使其依賴于自然界中不存在的物質(zhì)，因此它無法在受控實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)環(huán)境之外生存。

HMS：你說調(diào)用基因組高度修改還有另外一個方面嗎?

OSTROV：是的。它是100%合成的。大多數(shù)細(xì)胞是親代細(xì)胞的女兒，攜帶父母DNA的拷貝。這種有機(jī)體的DNA將是100%化學(xué)合成的，而不是自然復(fù)制的。

我們在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)了完整的DNA代碼。我們用化學(xué)制造了DNA。然后我們把它放在一個活細(xì)胞里。該基因組是我們的計(jì)算設(shè)計(jì)和大腸桿菌基因組藍(lán)圖的混合體。

LANDON：編輯文本(我們以前做得非常有效)和編寫新文本的能力之間真的不同?，F(xiàn)在我們可以寫出整個大腸桿菌基因組的規(guī)模，這是非常大的。

HMS：有人會說這很有力量。

OSTROV：與所有其他技術(shù)一樣，它需要得到適當(dāng)?shù)目刂?，并且需要公開審查。我們非常清楚需要負(fù)責(zé)任，并以有益，安全的方式進(jìn)行合成生物學(xué)。生物防護(hù)是朝著這個方向邁出的第一步。

HMS：這項(xiàng)工作如何與關(guān)于“編寫”人類基因組的討論相關(guān)?

OSTROV：它肯定表明我們可以編寫大型基因組，但它也表明這不是一件容易的事情。即使使用比人類更小且更簡單的大腸桿菌基因組，我們?nèi)孕枰鉀Q許多技術(shù)挑戰(zhàn)。不是，'哦，在這里。合成生物才起作用。這些都是可能的，但這是一個過程。

HMS：你在沿途學(xué)習(xí)什么?

LANDON：很難預(yù)測基因組序列變化的生物學(xué)效應(yīng)。我們已經(jīng)開始分析大量數(shù)據(jù) - 細(xì)胞適應(yīng)度，基因表達(dá)等的測量 - 讓科學(xué)界對它進(jìn)行研究將非常有趣。

然后，我們發(fā)現(xiàn)的每個問題通常都是我們在設(shè)計(jì)階段沒有預(yù)料到的，這意味著它在生物學(xué)層面上很有趣。我們一直在尋找當(dāng)前模型都沒有解釋的東西。

OSTROV：我覺得有趣的是這個項(xiàng)目為生物學(xué)帶來工程方法的方式。你想要設(shè)計(jì)一個細(xì)胞，但生物學(xué)通常是不可預(yù)測的。設(shè)計(jì)一個完整的基因組，合成和測試，然后返回并修復(fù)它，迭代和更可預(yù)測的過程對我來說非常有吸引力。這是一種新的生物學(xué)方法。