遺傳學大牛Science重磅成果：改寫活體基因組

　　遺傳密碼通常包含64個密碼子， 但現在來自哈佛大學的研究人員和同事們設計出了只包含57個密碼子的大腸桿菌基因組。在發表于8月18日《科學》（Science）雜志上的一篇論文中，該研究小組描述了這一計算機生成的基因組，并報告了在實驗室中合成它的第一階段。

　　論文的共同作者、哈佛大學George Church實驗室博士后Nili Ostrov說：“我們構建出了真正突破基因組極限的東西。我們認為這是全新的，并且我們正在設法了解它是否可行。”

　　在這一預定57-密碼子的大腸桿菌基因組中，七個刪除的密碼子每個均被同義密碼子所替換。研究小組對這一項目抱有許多的目標。研究人員提出，在將大 腸桿菌的基因組削減到57個密碼子后，可以重建7個空白密碼子，用來導入非標準的氨基酸；這將為工業應用構建出更廣泛的蛋白質打開大門。

　　重新編碼的基因組也可以賦予對病毒感染的抵抗力，用于生物控制：當轉移RNAs (tRNAs)響應指定的密碼子插入一個非標準氨基酸時，從野生型大腸桿菌或病毒中整合進來的DNA不能用來成功地構建蛋白質。這能夠讓制藥業和其他產業 中培養的細菌對病毒具有免疫力，從而省下因病毒污染造成的數十億美元的損失。此外，還可以將一個或多個空白密碼子重編碼為只能在實驗室中獲得的一種氨基 酸，使得這一工程大腸桿菌在代謝上依賴于科學家們提供的培養基。

　　為了設計出這一基因組，研究小組構建出了一個軟件工具，在一段可以在實驗室合成的DNA中用同一密碼子來替代七個密碼子中的每一個。在3,548基因中這一重編碼基因組設計替換了62,214個密碼子。

　　有了理論上的基因組，Ostrov和同事們開始在活細胞中測試他們的設計。他們將重編嗎基因組分為87個片段，每個大約50 kb的長度，平均包含40個基因，并將這一設計轉手給生物技術公司合成出了這一DNA。研究人員隨后開始將每個片段整合到獨立的大腸桿菌菌株中，刪除對應 的野生型DNA以檢測生存力。

　　Church說：“大體上，你可以在體外合成出整個基因組，然后移植這一基因。”他的研究小組開發出了一個管道獲取來自活細胞的實時反饋。

　　在他們的論文中，研究人員回顧了對87個基因組片段中的55個（覆蓋了63%的重編碼基因組）進行驗證的結果。這一重編碼基因組最初的計算設計并不 是很完美：當刪除野生型DNA片段時13個必需基因有殺死大腸桿菌的致命錯誤。作者們寫道，盡管他們無法制造一個能充分運行的57-密碼子大腸桿菌，但 “如此規模的功能改變的基因組還沒有被探索過。”

　　該研究小組仍然必須完成對這些合成DNA片段其余部分的驗證，然后在體內將它們組合在一起。Church說：“有望很快發表的下一篇論文將趕快完成這一基因組，開始測試病毒抗性一類的事情，看看我們可以加載多少氨基酸，證實生物控制。”

　　Church是遺傳學界的大牛，被譽為是個人基因組學和合成生物學的先鋒。1984年，Church和Walter Gilbert發表了首個直接基因組測序方法，該文章中的一些策略現在仍應用在二代測序技術中。此外，如今的多重化分子技術和條碼式標簽也是他發明 的，Church還是納米孔測序技術的發明者之一。

　　CRISPR-Cas9系統使得研究人員能夠編輯許多生物體和細胞類型的DNA序列。然而，科學家們也日益認識到可以利用它來激活基因的表達。為 此，他們構建出了大量可激活Cas9蛋白的合成基因來研究基因功能或在潛在的治療方法中彌補不充足的基因表達。在發表于2016年5月23日Nature Methods雜志上的一項研究中，Church研究小組嚴格對比并列出了在來自人類、小鼠和果蠅等生物的各種細胞類型中最常用的人造Cas9激活子。研 究結果為科研人員提供了一個有價值的指南，使得他們能夠簡化研究努力。

　　5月，哈佛醫學院的著名遺傳學家George Church和小伙伴們悄悄邀請了130名科學家、律師、企業家和政府官員，在波士頓召開了一次不對外公開的基因組會議。據說，他們在會議上探討了體外合 成完整大基因組的可行性，以及相關項目的實施。Church后來提供給STAT News的一份聲明指出，這樣的嘗試代表著人類理解生命藍圖的新篇章。一個月后，他又給生物學領域扔下了一枚大炸彈。他和同事在bioRxiv上提前發表了研究指出，大腸桿菌E. coli的生長速度拖累了科研進展，應當用世界上生長最快的細菌取而代之。

　　隨著基因組編輯系統的發展，沒有什么比CRISPR/Cas更簡單的了。然而，在實踐中，將該系統限定于預期的位點可能是具有挑戰性的，尤其是兩個 或兩個以上的位點只有一個單堿基差異的情況。6月，哈佛大學Wyss生物啟發工程研究所的Benjamin Pruitt與 Church實驗室的臨床研究員Alejandro Chavez合作，為這個問題設計了一個潛在的解決方案，發表在生命科學預印本網站BioRxiv上。