我们可以随意重新编程现有的生活吗?

对于合成生物学家来说,答案是肯定的。生物学的中央代码很简单。在三组中,DNA字母被翻译成制造蛋白质的氨基酸-lego块。蛋白质构建我们的身体,调节我们的新陈代谢,并使我们能够用作生物。设计定制蛋白质通常意味着您可以重新设计寿命的小方面 - 例如,获得细菌以释放胰岛素等救生药物。

地球上的所有生命都遵循这一规则:64个DNA三联体密码(或称“密码子”)的组合被翻译成20个氨基酸。

可是等等。数学没有加起来。为什么64个专用密码子会使64个氨基酸?原因是冗余。生活进化,使得多个密码子经常制备相同的氨基酸。

那么如果我们利用所有生物的冗余“额外”密码子,而是插入自己的代码?

剑桥大学的一支球队最近做到了。在一个技术绝技, 他们用克里普尔克更换超过18,000个密码子,合成氨基酸不存在于自然界中的任何地方。结果是一种几乎抵抗所有病毒感染的细菌 - 因为它缺乏常规蛋白质“门把手”,病毒需要感染细胞。

但这只是工程生活的超级大国的开端。到目前为止,科学家们只能将一个设计师氨基酸滑入生物体中。新作品立即打开门以一次性地攻击多个现有密码子,同时至少三种合成氨基酸复制。当它有三分之一的时候,这足以从根本上改写生活,因为它存在于地球上。

长期以来,我们一直认为,“解放密码子的一个子集以进行重新分配,可以提高遗传密码扩展技术的健壮性和多功能性。”波士顿学院的Delilah Jewel和Abhishek Chatterjee没有参与这项研究。“这项工作优雅地把梦想变成了现实。”

黑客攻击DNA代码

我们的遗传代码是生命,遗产和进化。但它只能在蛋白质的帮助下工作。

翻译在DNA的四个字母中的基因的程序进入实际构建植物块依赖于一个完整的蜂窝解密厂。

想想DNA的字母A,T,C和G-作为一个秘密代码,写在缠绕在短管轴缠绕的皱纹纸上。三个“字母”或密码子是CRUX-它们编码氨基酸的细胞。一个信使分子(mRNA),一个间谍,悄悄地复制DNA消息并潜入蜂窝世界,将消息穿梭于细胞的蛋白质工厂 - 一种中央智能组织。

在那里,工厂招募多个“翻译”将遗传密码破译到氨基酸中,恰当地命名为TRNA。这些字母被分组,每个转化器TRNA将其相关的氨基酸物理地将其相关的氨基酸物理牵引,因此工厂最终使链条涂成3D蛋白质。

但是,与任何强大的代码一样,性质对其DNA到蛋白翻译过程具有编程冗余。例如,DNA代码TCG,TCA,AGC和AGT全部为单个氨基酸丝氨酸编码。虽然它在生物学中工作,但作者想知道:如果我们利用该代码,劫持它,并使用合成氨基酸重定向一些生命的方向,以及重定向一些生命的方向?

劫持自然代码

新的研究认为,大自然的冗余作为将新功能引入细胞的方法。

对于我们来说,一个问题是“可以减少用于编码特定氨基酸的密码子的数量,从而产生可自由制造其他单体[氨基酸]的密码子。问道领先作者Jason Chin博士。

例如,如果TCG为SERINE,为什么不释放其他TCA,AGC和AGT-别的东西?

这在理论上是个好主意,但在实践中却是一项艰巨的任务。这意味着该团队必须进入一个细胞,替换每一个他们想要重新编程的密码子。几年前,同样的研究小组证明了在大肠杆菌,实验室和药物最喜欢的虫子。那时,团队通过合成整个综合生物学中的天文跃入大肠杆菌基因组从头开始。在此过程中,它们还与天然基因组一起出场,通过用它们的同义词取代一些氨基酸密码子来简化它,从而删除TCG并用AGC替换它们。即使修饰,细菌也能够容易地茁壮成长和再现。

这就像采取一本很长的书,并弄清楚哪些词要用同义词取代而不改变句子的含义 - 以便编辑没有物理上伤害细菌的生存。例如,一个技巧是删除被称为“释放因子1”的蛋白质,这使得更容易用全新的氨基酸重新编程UAG密码子。以前的工作表明,这可以将新的构建块分配给真正“空白”的自然密码子 - 这是,它们无论如何都不是完全编码的。

合成生物

下巴的团队进一步迈进了这一点。

该团队烹制了一种名为Rexer的方法(通过编程重组增强基因组工程的复制品切除)-yeah,科学家们都是关于逆信子的,其中包括Wunderkind基因编辑工具,CrisPr-Cas9。随着CRISPR,它们精确地剪掉了大肠杆菌细菌基因组的大部分,完全从测试管内部的划痕,然后用同义词密码子编码丝氨酸的超过18,000个“额外”密码子。

因为诀窍仅针对冗余蛋白质代码,所以细胞能够围绕他们的正常业务 - 包括制作丝氨酸 - 但现在有多个自然密码子。这就像用“oy”替换“嗨”,让“嗨”,现在可以自由分配完全不同的含义。

团队接下来做了一些房子清洁。他们取下了细胞的“自然翻译人员 - TRNA - 通常读取现在已经过错的密码子而不损害细胞。他们推出了新的TrNA的新合成版本来阅读新密码子。然后将工程化细菌自然地进化在试管内部以迅速生长。

结果是惊人的。这种超能力菌株Syn61.Δ3(ev5)基本上是一种细菌x战警,它生长迅速,能够抵抗通常感染细菌的各种病毒的混合物。

“因为所有生物学都使用相同的遗传密码,相同的64个密码子和相同的20个氨基酸,这意味着病毒也使用相同的代码......他们使用细胞的机制来构建病毒蛋白来再现病毒,”下巴解释。现在,细菌细胞不能再读取自然的标准遗传密码,病毒不能再挖掘细菌机械以再现 - 意味着工程细胞现在抵抗几乎任何病毒侵犯者。

“这些细菌可以变成可再生和可编程工厂,生产具有新颖性质的各种新分子,这可能对生物技术和药物产生益处,包括制造新的药物,如新的抗生素,”下巴说。

除了病毒感染,该研究重写了合成生物学的可能性。

“这将使无数的应用程序能够,”珠宝和Chatterjee(如完全的人工生物聚合)说,即与生物学兼容的材料,可以改变整个学科等药物脑机接口。在这里,该团队能够串联一种人工氨基酸构建块,以制备一种形式,这些分子构成了一些药物的基础,例如癌症或抗生素。

但也许最令人兴奋的前景是大大重写现有生活的能力。与细菌相似,我们和生物圈的所有生命都在相同的生物学规范上运行。该研究现在表明,通过攻丝进入我们的天然生物过程,可以获得仅通过20个氨基酸的障碍而达到20个氨基酸。

接下来,该团队正在寻求潜在进一步重新编程我们的天然生物学代码,以将更多的合成蛋白质构建块编码为细菌细胞。例如,他们也将转向其他细胞 - 哺乳动物,看看是否可以压缩我们的遗传密码。

图像信用:nadya_il.Pixabay

Shelly Xuelai Fan是一个神经科学家转向科学作家。她在不列颠哥伦比亚省大学的神经科学中完成了博士学位,在那里她开发了新的神经变性治疗方法。在研究生物脑的同时,她对AI和所有东西都很着迷。毕业后,她搬到了UCSF,研究了恢复老年大脑的基于血液的因素。她是 ...

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