經(jīng)歷了數百萬(wàn)年的進(jìn)化后，地球上的所有生物都擁有64個(gè)遺傳基因密碼子。但是哈佛大學(xué)的科學(xué)家認為他們可以改變這一現狀，近日他們發(fā)表文章稱(chēng)，在實(shí)驗室里他們創(chuàng )造了一個(gè)只含有57個(gè)密碼子的完整的細菌基因組。這一實(shí)驗對生物基因學(xué)來(lái)說(shuō)具有十分重要的意義。

　　乍一看，這個(gè)實(shí)驗對轉基因細菌培育藥物有很好的推進(jìn)作用。過(guò)去通過(guò)培育轉基因細菌生產(chǎn)藥品、抗病毒疫苗往往需要一年以上的時(shí)間，耗費數十億美元。如今，我們可以通過(guò)人工設計基因序列，培育所需細菌，大大縮短了藥物的研發(fā)時(shí)間，降低經(jīng)費。但是這個(gè)實(shí)驗還有更加重要的意義——重新編碼生命。

　　這項實(shí)驗對于生物基因學(xué)來(lái)說(shuō)是顛覆性的。比如你把《哈利波特》系列叢書(shū)中的魔法和巫師全部更換，但是你在讀書(shū)的時(shí)候依舊可以覺(jué)察到這本書(shū)帶給你的那種魔幻感覺(jué)?？茖W(xué)家們認為基因組不需要全套64個(gè)密碼子的話(huà)，會(huì )賦予部分基因新的功能，一些自然界中基因不存在的功能。

　　哈佛大學(xué)研究生導師，華盛頓大學(xué)教授MarcLajoie說(shuō)：“我們正在改變遺傳密碼的意義，并設計一個(gè)前所未有的遺傳組。”

　　重新編碼意味生物學(xué)家需要更換刪除一些生物體基因的密碼子，人工生成“基因組編碼生物(GRO)”。如果將以前的轉基因生物比作1908年福特公司生產(chǎn)的T型車(chē)，那么“基因組編碼的生物”就是現在的奧迪R7S，是質(zhì)的飛躍。這項技術(shù)將重組包括人類(lèi)在內所有生物在內的基因組，改寫(xiě)地球生物歷史的技術(shù)。哈佛的GeorgeChurch教授和其他合成生物學(xué)的專(zhuān)家最近宣布要研究這項技術(shù)。

　　到目前為止，還沒(méi)有創(chuàng )造一個(gè)可以進(jìn)化演變的編碼生物。比如，這些編碼生物可以合成自然界不存在的蛋白質(zhì)，而這些新的蛋白質(zhì)才是這些生物進(jìn)化的具體表現。包括Church在內，這項最新研究的21位工作者中的6位被列為研究基因組設計的專(zhuān)利發(fā)明人。

　　沒(méi)有參與這項新研究的科學(xué)家也表達了一些擔憂(yōu)，他們認為結果未必會(huì )那么理想，理論上的東西很多并不能實(shí)現。耶魯大學(xué)生物化學(xué)界的元老DieterS？ll說(shuō)：“毫無(wú)疑問(wèn)，這是偉大的進(jìn)步，但是我現在只是看到了一份進(jìn)度報告，并沒(méi)有看到哪個(gè)團隊通過(guò)重新編碼密碼子獲得新的生物功能。這還有很長(cháng)的路要走。”

　　分子密碼子

　　微生物、植物和動(dòng)物的DNA轉錄翻譯都離不開(kāi)三個(gè)相鄰堿基組成的密碼子。著(zhù)名的DNA雙螺旋結構是由A、T、C、G4種堿基序列組成。每三個(gè)堿基決定一個(gè)氨基酸。從理論上堿基的組合有4的3次方=64種，64種堿基的組合即64種密碼子，這64個(gè)密碼子決定所有的20種氨基酸，說(shuō)明一個(gè)氨基酸可以由多個(gè)密碼子編碼。然后由氨基酸組成蛋白質(zhì)。

　　在2013年的研究中，Church和他的團隊想利用CRISPR技術(shù)消除大腸桿菌基因組的一些基因序列。CRISPR（Clusteredregularlyinterspacedshortpalindromicrepeats）簡(jiǎn)單說(shuō)就是病毒能把自己的基因整合到細菌，利用細菌的細胞工具為自己的基因復制服務(wù)，細菌為了將病毒的外來(lái)入侵基因清除，進(jìn)化出CRISPR系統，利用這個(gè)系統，細菌可以不動(dòng)聲色地把病毒基因從自己的染色體上切除，這是細菌特有的免疫系統。

　　在這項研究中，為了得到所需基因組，研究人員在超過(guò)一半的基因組中他們替換了七種密碼子。結果基因組中的62214個(gè)區域被清除或者替換。相反，哈佛的科學(xué)家們直接合成并組裝了大腸桿菌DNA的堿基序列，每一個(gè)50000個(gè)堿基對，這樣直接得到所需的基因。

　　這一成就意味著(zhù)用不了多久科學(xué)家們就可以設計高等生物基因組，就像Church教授提出要為人類(lèi)重新設計基因組。Church教授與一家DNA合成和基因工程公司存在利益關(guān)系，又是波士頓Enevolv公司的創(chuàng )始人，這家公司旨在改進(jìn)微生物制藥行業(yè)。

　　改善自然

　　“重新編碼的目的是改善自然的基因組，這就是為什么Church和他的團隊用新的堿基序列替換掉原來(lái)的密碼子。”博士后研究員NiliOstrov說(shuō)。超過(guò)一半的基因組的測試表明，大多數的大腸桿菌基因組被修改后仍然正常工作。這就是重新編碼的本質(zhì)：置換密碼子可以創(chuàng )造新的氨基酸，包括那些在自然界中從未見(jiàn)過(guò)的。

　　“基因組編碼會(huì )讓你從大腸桿菌中獲得自然界沒(méi)有的新蛋白質(zhì)”Lajoie說(shuō)。就像在《哈利波特》中，每次巫師拿著(zhù)魔杖說(shuō)出“砰”，就會(huì )出現一個(gè)從未見(jiàn)過(guò)的東西。

　　重新編碼還可以使生物體避免病毒感染，這些病毒通常是把自己的基因復制到它們感染的細胞內進(jìn)行傳播。Lajoie說(shuō)，重新編碼的微生物將不再使用病毒的遺傳語(yǔ)言，病毒就不能寄生在重新編碼的細胞內，因此這些微生物可以阻止流感病毒的傳播。Church認為重新編碼人類(lèi)基因組的潛在好處是可以使人類(lèi)獲得致命病毒的抗體。

　　耶魯大學(xué)的S？ll認為，2013年的那個(gè)研究并沒(méi)有實(shí)現重新編碼基因這個(gè)目的。一方面，只有63%的基因組中的七個(gè)基因密碼子被替換，而不是所有的。另一方面，科學(xué)家們并沒(méi)有對大腸桿菌合成新的氨基酸的遺傳機制做出其他改變。他們證明了密碼子可以被替換，但是重新編碼的意義在于：我們創(chuàng )造新的氨基酸，它會(huì )賦予自然界的密碼子新的意義。但是這個(gè)研究沒(méi)有做到這一點(diǎn)。只改變細胞中的7個(gè)基因密碼子尚且如此困難，那如果換成自然界復雜的動(dòng)物，會(huì )更加具有挑戰性。

　　Ostrov說(shuō)，哈佛的團隊不會(huì )停止，我們堅信重新編碼生物這個(gè)研究會(huì )很順利。每當一個(gè)完成一個(gè)研究階段，我們就會(huì )發(fā)表出來(lái)?，F在我們已經(jīng)突破了原有一些原則的束縛，開(kāi)始把所有的DNA片段放在一起，來(lái)完成一次全新的完整的編碼基因組。

　　Lajoie說(shuō)：“從根本上改變了遺傳密碼是觸手可及的事情。雖然現在對高等生物做這樣的實(shí)驗將是一個(gè)挑戰，但是我們所做的本來(lái)就是和未來(lái)有關(guān)的項目，我們樂(lè )于迎接挑戰。”