NatureGeorgeChurch团队改造可防止任何已知病毒感染的大肠杆菌

　　3 月 15 日，  Nature   报道了一项突破性的进展，George Church 团队设计了一种不会被 任何已知病毒 感染的大肠杆菌菌株，并 首次 开发一种内置的安全措施，防止修改后的遗传物质逃逸到自然生态系统。相关文章题为 ＂A swapped genetic code prevents viral infections and gene transfer＂。
　　（来源：  Nature  ）
　　＂我们不能说它完全抗病毒，但到目前为止，根据广泛的实验室实验和计算分析，我们还没有找到可以破坏它的病毒。＂ 文章第一作者 Akos Nyerges 表示。
　　文章中指出，＂这项研究可能会提供一个 通用策略 ，使 任何生物体对多种或所有的自然病毒产生抗性 ，并防止遗传信息流入和流出转基因生物体。＂
　　＂我们期望这一结果将对开放环境中安全使用转基因生物产生影响。＂
　　交换遗传密码，错译病毒蛋白
　　去年 10 月，剑桥大学团队在   Science   上发表了 ＂旨在获得一种安全的抗病毒细菌＂ 的研究成果，其对大肠杆菌进行基因重编程，将天然存在的 64 组密码子减少为 61 组密码子，删除了对应 丝氨酸 的两组密码子 TCG 和 TCA（自然状态下共有六组对应丝氨酸的密码子），还移除了相应的 tRNAs，试图以此打乱病毒入侵后的自我复制。
　　(来源：  Science  )
　　根据设想，缺失的密码子会让病毒无法按需制造蛋白质，从而达到抗病毒的效果。
　　不过，Akos Nyerges 等人发现了其中的漏洞，一些病毒会引入它们自己的 tRNAs 来绕过丢失的密码子，仍然能够完成自我复制。
　　这一结果说明，仅仅删除密码子是不够的。
　　既然 ＂删除＂ 不行，那就让它 ＂ 错译 ＂。
　　George Church 团队在其位置添加了新的 tRNAs，让本来对应丝氨酸的密码子 TCG 和 TCA 翻译为亮氨酸，亮氨酸是一种在物理化学性质上与天然丝氨酸不同的氨基酸。
　　▲图丨氨基酸交换的遗传密码提供了多种病毒抗性。a，改良后的大肠杆菌中 TCA 和 TCG 密码子重新分配给亮氨酸。b, 工程大肠杆菌病毒感染示意图（来源：  Nature  ）
　　这样一来，当病毒注入自己的遗传密码时，其中的 TCG 和 TCA 就会被错误翻译，无法达成劫持细胞的目的。
　　当然，病毒也配备了自己的 tRNAs，仍然可以准确地将 TCG 和 TCA 转化为丝氨酸。但研究人员提供的证据表明，他们引入的 tRNAs 可以战胜病毒对应物。
　　研究人员表示，通过证明有效的丝氨酸到亮氨酸的重配，这项研究使 生物遏制 在基因、操作子和整个染色体水平上成为可能。
　　＂ 虽然这项工作可能使细菌对所有病毒免疫，但仍有可能出现可以破坏保护的东西。 然而，克服交换密码子需要病毒同时产生数十种特定突变，这对于自然进化来说是非常非常不可能的。＂
　　两项保障措施，防止基因逃逸
　　研究还证明，交换遗传密码在防止病毒复制的同时，还能避免合成遗传信息逃逸到其他生物中。
　　这项工作 包含两个独立的保障措施。
　　第一个保障措施防止基因水平转移。基因水平转移又称水平基因克隆或基因侧向转移，指生物将遗传物质传递给其他细胞而非其子代的过程，例如：接合、转导及转化。
　　在改良的大肠杆菌中，研究人员利用引入的 tRNAs 让 TCG 或 TCA 全部改为对应亮氨酸。如果另一种生物将任何经过修饰的片段整合到自己的基因组中，该生物的天然 tRNAs 会将 TCG 和 TCA 恢复为对应丝氨酸，最终得到没有任何进化优势的垃圾蛋白。
　　▲图丨将合成的遗传信息加入到 TCR 密码子编码亮氨酸的遗传密码中，可以防止基因水平转移（来源：  Nature  ）
　　对于第二个故障安全措施，研究小组设计了细菌本身，使其无法在受控环境之外生存，方法是使大肠杆菌依赖于一种实验室制造的氨基酸，这种氨基酸在自然环境中不存在。
　　总的来说，这项研究实现了 前所未有的基因转移抗性 ，证明交换生物体的遗传密码是可能的。
　　作者也指出了这项工作的 潜在局限性 ，包括采样的病毒多样性和病毒抗性检测无法对病毒的多步骤、长期进化过程进行采样。
　　目前，适应性实验室进化大大提高了具有改变遗传密码的生物体的 倍增 时间，可以帮助改良的大肠杆菌向工业应用方向发展。
　　作者还表示期待 探索密码子重编程 ，将其作为 诱导细菌生产医用合成材料 的工具，以替代昂贵的化学反应。
　　更多的应用展望还包括，可以利用这一策略防止生物修复过程中的转基因释放，为 用于碳封存的工程光自养菌的开放培养提供控制 ；以及实现 安全的微生物工程 和 疫苗生产。
　　参考链接：
　　1.https://www.nature.com/articles/s41586-023-05824-z
　　2.https://www.science.org/doi/10.1126/science.add8943