重磅！制造出*穩(wěn)定的半合成有機體

迄今為止，生命的遺傳密碼僅含有4個天然的堿基。這些堿基配對形成兩個“堿基對”---DNA梯子的橫檔---而且它們經(jīng)過簡單地重新排列可制造出細菌、蝴蝶、企鵝和人類。正如我們所知道的，4個堿基組成所有的生命。

如今，來自美國斯克里普斯研究所（TSRI）的Floyd Romesberg教授和他的同事們宣布開發(fā)出*穩(wěn)定的半合成有機體。基于他們在2014年合成出一個DNA堿基對的一項研究，他們制造出一種使用4個天然堿基（A、T、C和G）的新細菌，但是它的遺傳密碼也含有兩個配對的合成堿基：X和Y。他們證實當他們的單細胞有機體分裂時，它能夠無限期地保持這個合成堿基對。相關(guān)研究結(jié)果近期發(fā)表在PNAS期刊上，論文標題為“A semisynthetic organism engineered for the stable expansion of the genetic alphabet”。

盡管這種類型的有機體在未來的應(yīng)用仍然遙遙無期，但是研究人員說，這項研究可能被用來制造具有新功能的單細胞有機體，如用于藥物發(fā)現(xiàn)等等。

構(gòu)建一種*的有機體

當Romesberg和他的同事們在2014年的那項研究中合成出X和Y時，他們也證實經(jīng)過基因修飾的大腸桿菌能夠在它們的遺傳密碼中持有這個合成堿基對。然而，這些大腸桿菌不能做的事情是當它們分裂時，讓這個堿基對無限期地保持在它們的遺傳密碼中。在一段時間之后，X和Y堿基對會丟失，從而限制這些大腸桿菌使用它們的DNA中持有的這些額外的遺傳信息。

Romesberg將這種存在缺陷的有機體比作為嬰兒。在它成為真正的生命之前，它需要進行一些學(xué)習(xí)。

TSRI研究生Yorke Zhang和Brian Lamb一些協(xié)助開發(fā)讓這種單細胞有機體保持這個合成堿基對的方法。

首先，Zhang和Lamb對一種被稱作核苷酸轉(zhuǎn)運蛋白（nucleotide transporter）的工具進行優(yōu)化。核苷酸轉(zhuǎn)運蛋白可攜帶復(fù)制這個非天然堿基對所需的材料跨過細胞膜。Zhang解釋道，“這種核苷酸轉(zhuǎn)運蛋白用于2014年的那項研究，但是它讓這種半合成有機體患上嚴重的疾病。”這些研究人員對這種核苷酸轉(zhuǎn)運蛋白進行改進來緩解這種問題，從而使得這種半合成有機體更容易生長和分裂，同時將X和Y保持在它們的遺傳密碼中。

接著，這些研究人員對他們之前的Y版本進行優(yōu)化。這種新的Y是一種化學(xué)上不同的分子。在DNA復(fù)制期間，它能夠被合成DNA分子的酶更好地識別。這使得細胞更容易復(fù)制這個合成堿基對。

CRISPR-Cas9的新用途

zui后，這些研究人員利用CRISPR-Cas9為這種半合成有機體設(shè)置一個“拼寫檢查”系統(tǒng)。CRISPR-Cas9是一種越來越流行的用于人基因組編輯實驗中的工具。但是不是用于編輯基因組，他們借用了CRISPR-Cas9在細菌中的初始作用。

在細菌中，CRISPR-Cas9（一種DN段和一種酶）作為一種免疫反應(yīng)發(fā)揮作用。當細菌遭遇到危險（以病毒為例）時，它獲得入侵病毒的基因組片段，將這些片段整合到它自己的基因組上。如果這種入侵病毒再次來臨，那么它能夠利用這些整合的片段引導(dǎo)一種酶發(fā)動攻擊。

了解這種情形后，這些研究人員對他們的這種半合成有機體進行改造，讓它們將一種缺乏X和Y的基因序列識別為一種外來的入侵物。丟失了X和Y的細胞將會被標記為摧毀，從而留下攜帶這些新堿基的半合成有機體。這就像是這種有機體對這個非天然堿基對丟失產(chǎn)生免疫力。

Lamb說，“從基本層面而言，我們能夠解決這個問題。”

因此，這些研究人員的半合成有機體在分裂60次后能夠?qū)和Y保持在它的基因組中，從而導(dǎo)致他們認為它能夠無限期地保持這個非天然堿基對。

這提示著所有的生命過程能夠受到操縱。

作為未來研究的基礎(chǔ)

Romesberg強調(diào)這項研究僅在單細胞有機體中開展，這并不意味著它可用于更加復(fù)雜的有機體中。他補充道，這種半合成有機體的實際應(yīng)用在這個點上是“零”。迄今為止，科學(xué)家們僅能夠讓這種半合成有機體儲存遺傳信息。

接下來，這些研究人員計劃研究它們的新的遺傳密碼如何能夠轉(zhuǎn)錄為RNA，即將DNA翻譯為蛋白所需的分子。Zhang說，“這項研究為我們繼續(xù)開展研究奠定基礎(chǔ)。