《自然》 报道人类首次全基因组合成仅含 61 种密码子的大肠杆菌，这项研究具有怎样的意义？

2019年5月16日，来自英国剑桥大学医学研究委员会分子生物学实验室的Jason W. Chin团队在Nature发表题为Total synthesis of Escherichia coli with a recoded genome的文章，介绍了该团队人工合成并替换了全部的4Mb大肠杆菌基因组，并将其中丝氨酸的密码子TCG和TCA替换为同义密码子AGC、AGT，琥珀密码子TAG替换为TAA，成功构建一株只有61个密码子的大肠杆菌。如何解读此工作？

“但是密码子的冗余一定是必须的吗？我想从这些发表的结果来看，回答应该是不一定。至少在目前对于终止密码子以及两个有义密码子的删减上并不会对细胞产生致命的影响，细胞仍然可以生存。”

一千个人有一千种对哈姆雷特的思考，那么在生物学领域也可以认为一千个实验室有一千种“玩坏”大肠杆菌的方法。

大肠杆菌，分裂一代的时间大约为20min-60min，其基因组具有大约有4.64兆的碱基对。大肠杆菌作为生物界的标准模式生物，几十年来，科学界对大肠杆菌进行了详细的研究。之后，研究人员几乎是竭尽所能“玩坏”大肠杆菌，有的人通过质粒在大肠杆菌中塞进很多来源自不同生物的基因，让大肠杆菌产生我们生活中需要的化学分子，或者让大肠杆菌产生一副艺术的画作 。这算是对大肠杆菌小规模的“玩坏”或者改造。

那么大规模的改造莫过于对大肠杆菌基因组动手了。我们对于大肠杆菌的基因组动起手来也是毫不手软，比如有人就将大肠杆菌的基因一个一个敲除掉，看看哪些基因是大肠杆菌生存必须的 。

在2013年，哈佛大学有个著名的大白胡子学者叫做George Church，做了一件非常有意思的事情。

我们知道自然界存在几乎通用的64中密码子，这64中密码子中，有61中密码子用来编码氨基酸，也就是蛋白质的基本组成成分。另外有三种密码子则不用与编码氨基酸，其功能用于终止细胞的翻译过程，名为终止密码子。于是George Church就想，为什么一定要需要三种终止密码子呢，这似乎没有什么合适的解释。于是George Church就做了一件几乎是“丧心病狂”的事情，他想把大肠杆菌基因组上的一个终止密码子TAG全部去掉，替换成另一个TAA终止密码子！

然后他就做了，然后还成功了。这篇工作最终发表在《科学》杂志上 。在这篇工作中，大肠杆菌一共有321个TAG终止密码子被替换成了TAA。

当然有人会问，大白胡子George Church这么做的意义是什么？我想最首要的生物学意义在于生物中冗余的终止密码子似乎并不是那么合理，密码子的冗余性是可以人为删除的。

当然除了生物学意义，这么做的一个很重要的原因还在于更广的层面：通过删除一个密码子，我们可以在生命内多引入一种非天然氨基酸。不同于天然的20种氨基酸，人工合成的非天然氨基酸具有多样性的化学性质。将非天然的氨基酸引入生命中可以进一步提高蛋白中的多样性，甚至可以为生命提供更多的进化可能性，这也对于开发新型的疾病疗法，发展新型的生物技术提供了更广阔的探索空间。

我们继续来聊。刚才说到大白胡子George Church认为终止密码子的冗余可以删减，但是我们也知道不仅仅是不编码氨基酸的终止密码子具有冗余性，前面说到一共有61中密码子编码20种氨基酸，所以对于编码氨基酸的其他61种密码子也有冗余性！比如编码丝氨酸的密码子也具有6种之多。

所以大家就想我们是否可以像删减终止密码子一样，把其他密码子的冗余性也删减一下。

而5月16日发表在《自然》的这篇文章 就是讲的这方面的工作：

研究人员人工合成了4M的大肠杆菌基因组，并将其中丝氨酸的密码子TCG和TCA替换为同义密码子AGC、AGT，终止密码子TAG替换为TAA，成功将大肠杆菌的密码子从64个减少到了61个。

作者完成基因组全合成改造的思路是：计算机设计—基因组分片段合成—基因组片段组装—修正设计—完整的基因组。

为把大肠杆菌基因组替换为设计的密码子精简基因组，研究人员首先将设计的基因组分成8个部分，再将每个部分划分为4-5个片段，最终一共包含了37个片段。然后这些片段继续划分成9-14个小片段，每个片段长度为10kb左右。为了将这些合成的片段拼接起来，研究人员在酵母中利用同源重组的方法将小片段分步组装成到BAC质粒（也称为人工细菌染色体）上。

之后研究人员利用之前已建立的REXER4技术以及细菌接合转移的的方法，将不同的片段最终组装成了一个完整的基因组。研究人员将其命名为Syn61。在整个过程中一共引入8个非预期突变，其中4个出现在组装人工细菌染色体的阶段，另外四个出现在后期优化调整设计的阶段，但都不影响重编码。

概括来说，研究人员成功通过全基因组合成，构建了只有61个密码子的大肠杆菌，从而为重编码多种非标准氨基酸奠定了基础（理论上来说可以同时引入3种不同的非天然氨基酸）。作者也在最后提到接下来的工作是尝试在大肠杆菌体内引入多种非天然氨基酸以及合成非天然氨基酸生物多聚物。

这个工作在一定程度上，更加验证了前面包括George Church等人的想法，即密码子的冗余性是否一定是必需的？但是更具这些结果来看，我认为我们可以这样认为：

在经过亿万的进化后，密码子的冗余在生命维持中一定扮演者一定的角色，删除冗余性一定会对细胞生长产生负面影响，比如的这篇工作中就提到了密码子的删减会对细胞生长产生负面影响。其实表面上只是对细胞生长产生影响，但是很有可能在细胞内部由于密码子的删减会产生整个调控网络的重塑。

但是密码子的冗余一定是必须的吗？我想从这些发表的结果来看，回答应该是不一定。至少在目前对于终止密码子以及两个有义密码子的删减上并不会对细胞产生致命的影响，细胞仍然可以生存。并且我相信通过后续的设计优化或者进化筛选策略，细胞的整体生长劣势会得到进一步的缓解，在今年有一篇《自然·通讯》就展示了一个这样的工作：

研究人员通过改造大肠杆菌将其基因组上的57个区域进行了删除（删除了大约1.1M碱基），这导致大肠杆菌的生长在某些营养条件下受到了严重的影响。然后作者通过对菌株筛选的过程进行连续的进化分析，研究人员发现细菌为了能够适应环境、更加快速的生长且在群体中多种突变体最终凸显出来会积累突变。这些突变体有调控基因的突变，有基因组片段的大范围删除，有核糖体、核酸合成酶的突变等等，而这些突变最终能够更好地适应环境。这在一定程度上说明，只要细菌能够活下来，即使现阶段有劣势，但是只要进化的机器一启动，其最终都能够更好的适应环境（大多数情况下）。

当然，写到这里，可能有人会问，这片工作只是删减了2个冗余的有义密码子和1个终止密码子，大肠杆菌基因组上冗余的密码子还有很多，还能继续删减吗？

这是一个很好的开放性问题，也许可以，但是可能比较难。在2013年，George Church研究组完成对大肠杆菌TAG终止密码子的删减之后，就提出了了只有“57密码子”的大肠杆菌，即通过删减冗余性，将大肠杆菌的密码子删减到只有57个密码子。这个项目在2016年还以一篇名为“Design, synthesis, and testing towarda 57-codon genome”的文章发表在《科学》期刊 上，但是在这篇工作只是介绍了项目的设计和进展，在文章中，作者提到了密码子删减的基因组设计原则，他们正在完成对划分的基因组片段进行设计和改造，但是并没有将所有的基因组片段组装成一个完成的基因组。（从这里可见大佬就是大佬哈，即使工作没有100%完成，也可以发篇Science吹一吹）

现在已经距2016年的这篇Science过去了近3年，但是尚未见到George Church有关于“57密码子”大肠杆菌工作的进一步介绍，而今天发表的这篇Nature则更像是抢先一步，虽然密码的删减程度并没有媲美”57密码子”大肠杆菌，但也是开了先河，第一次在全基因组层次实现了有义密码子的部分精简。

此文的开头我们提到了删减密码子的一个主要目的是为了能够在细胞内部更高效的引入非天然氨基酸。“删减”的策略更像是“勒紧裤腰带，省吃俭用做大事”。而科学界还有一种策略是“新人引进门”，通过将非天然的碱基引入生命中，从而进一步的扩展密码子的数量，这方面的工作，我也写过一些文章，欢迎阅读：

再创丨宇宙无垠，生命的可能无穷无尽

有很多时候，很多人会问这些工作的意义是什么。一项科研工作的潜在价值是很多的，只是很多时候短期内无法显露出来。不过，能够改造生命，创造一个全新的生命就足以让人激动万分了！

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最后的时候呢，分享一篇Craig Venter的书籍《生命的未来》章节摘选，让我们来体会一线2010年辛西娅1.0诞生的时候的惊喜与激动~ （辛西娅1.0：人类第一个全基因组人工化学合成的生命体，由Craig Venter研究团队负责在计算机上设计而成。）

奇迹出现：第一个有生命的合成细胞

和以前一样，这个重要的实验仍然放在星期五开始，这样在下个星期一到来之前，任何一个移植成功的克隆体都有足够的时间成长起来，并且以蓝色圆点的形式呈现出来。丹·吉布森给我们大家发了封电子邮件来报告最新实验的情况，邮件内容如下：

文特尔、史密斯、哈奇森和约翰:

完全合成的基因组（有四个水印，而且无dnaA突变）的移植工作今天已经完成了。这个基因组看起来非常不错。我们对11个接合点的每一个以及四个水印序列都通过多重聚合酶链式反应进行了分析。我们还利用限制性消化作用和电场倒转凝胶电泳（FIGE）对它进行了检查。与此同时，两个包含有10/11半合成基因组的酵母克隆体也正在被移植。我们对这些基因组也进行了上面的分析，看起来也非常不错。我会在下星期一早晨再发一封电子邮件给你们，但是请记住，克隆体通常会出现在比较晚一些的时间，因此在下星期二之前我们无法得到确切的答案。

那天下午，丹·吉布森把一个小小的瓶子递给了他的同事马力（Li Ma），马力正坐在一个生物安全罩前面，这是我们在无菌条件下做实验时所使用的一种密封的、带有高效空气过滤器的工作空间。瓶子里装有一个小小的琼脂糖插头，在这个琼脂糖插头中嵌入了几百万个可用显微镜观察到的环状DNA染色体，每个染色体都与我们的1 078 809个碱基对的合成基因组相一致。这就是为丝状支原体的886个基因以及我们的水印进行编码的合成DNA。马力加入了几滴酶，溶解了凝胶，只留下合成基因组，然后把它加入到含有受体山羊支原体细胞的第一个小小的瓶子里，接着利用聚乙二醇让细胞膜变得可透过DNA。接下来，他又把细胞散播于一个装有红色琼脂的培养皿中，这是一种用糖和氨基酸来培养新细胞的方法。琼脂中还夹杂有四环素以杀死任何没有接受合成基因组的受体细胞，以及把含有移植基因组的新细胞变为宝蓝色的X射线。当天傍晚，马力把培养皿放进了保温箱中以使细胞一直处于37℃的恒定温度之下。如果有任何新的细胞产生，那它们就需要几天的时间来进行足够多次的分裂以产生100万个子细胞，到那个时候，仅凭肉眼便可看见这个小菌落了。

整个周末我都非常焦虑。让我们看到我们的基因组修改是否成功的那个时刻似乎是那么遥不可及。最后，在星期一的清晨，丹·吉布森满怀希望地打开了保温箱的门，开始一个接一个地移出培养皿。为了把希望留到最后，他从控制培养皿开始打开（这些培养皿可以证明马力遵循了正确的程序），它把每一个培养皿都举到灯光下看看是否有肉眼可见的菌落。接着，他开始看那些含有合成DNA的培养皿。在那里，就在其中一个培养皿的偏离中心的一点点的地方，出现了一个散发着幽幽蓝光的细胞菌落，而且只有那一个。

丹·吉布森在星期二上午的7：45给了我们发了第一个确认信息：“好消息！在单一合成基因的移植中，所有4个水印序列在多重聚合酶链式反应中都显示了出来。水印没有显示在野生的细胞和山羊支原体没有菌落的阴性对照中。”4月1日，即星期四，丹·吉布森又通过电子邮件给我们发来了第二轮实验的结果：“完整的合成基因组再次被移植成功了。这一次，它产生了大量的菌落！另外，第二个合成基因组克隆体也产生了大量的菌落。我现在要把‘生日快乐’气球移到移植室中去了。”

就在第二天，我们得到了更进一步的确认信息，这是唯一一个控制了新细胞的合成基因组：“特大好消息！当用AscI和BssHII去消化时，合成移植产生了预期的限制性片段。”被这些限制性内切酶切断的位点已被添加到了4个水印序列的3个中。4月21日，我们已经得到了活的合成细胞的DNA测序结果，此时已经没有任何值得怀疑的地方了：这个细胞已经完全被我们设计和合成的基因组所控制了。它的序列显示，在我们的基因组中有1 077 947个碱基对，正如我所预期的一样，包括预料中的与原生基因组的19个差异以及4个水印序列，这是证明这个DNA是合成的一个关键部分。正如我们曾经猜测过的那样，在DNA的100多万个碱基对中，仅仅缺失了一个字母就造成了有生命和无生命的天壤之别。我想再也没有什么东西能比这更能戏剧性地说明信息在生命中所扮演的核心角色了。

...

我们如今完成的这件事情，如果放到15年之前去看，可能会被认为是一个荒诞不经的梦。不过，从另一个角度来看，我们只是兜了一圈，又回到了原点。从细胞中的DNA开始，我们学会了如何准确地读取DNA序列。我们通过将四个字母的化学模拟代码（A, T，C, G）转换为计算机的数字代码（1和0）成功地“数字化”了生物学。现在我们已经成功地走向了另一个方向，从计算机中的数字代码开始重新创造DNA分子的化学信息，然后反过来，当然与以前任何东西都不同，又创造了没有任何自然历史的活的细胞。

以上节选自：克雷格•文特尔. 《生命的未来》第二部分第07节 第一个人造细胞的诞生

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1. 文章相关参考文献，请点击左下角“阅读原文”。

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