设计更有用的细菌

在基因工程和合成生物学向前迈出的一步中，研究人员对一株大肠杆菌进行了改造， 使其 对自然病毒感染具有免疫力，同时还最大限度地降低了细菌或其修饰基因逃逸到野外的可能性。

这项工作有望在利用细菌生产胰岛素等药物以及生物燃料等其他有用物质时减少病毒污染的威胁。目前，感染大桶细菌的病毒会导致生产中断、危及药物安全并造成数百万美元的损失。

结果于 3 月 15 日发表 在 《自然》杂志上。

“我们相信我们已经开发出第一项技术来设计一种不会被任何已知病毒感染的生物体，”该研究的第一作者、哈佛大学布拉瓦尼克研究所乔治丘奇实验室遗传学研究员 Akos Nyerges 说。医学院和 Wyss 生物启发工程研究所。

“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，”Nyerges 说。

他说，这项工作还提供了第一个内置的安全措施，可以防止修改后的遗传物质被整合到自然细胞中。

作者说，他们的工作提出了一种通用方法，可以使任何生物体对病毒免疫并防止基因流入和流出转基因生物体 (GMO)。随着各团体探索安全部署转基因生物以种植农作物、减少疾病传播、生产生物燃料和清除开放环境中的污染物，此类生物遏制策略越来越受到关注。

建立在之前的基础上

这些发现建立在基因工程师早期为获得有用、安全、抗病毒的细菌所做的努力的基础上。

2022 年，剑桥大学的一个小组 认为他们已经制造出一种 对病毒免疫的大肠杆菌菌株。但随后 Nyerges 与研究员 Siân Owen 和研究生 Eleanor Rand 在合著者 Michael Baym 的实验室合作，Michael Baym是 HMS 布拉瓦尼克研究所的生物医学信息学助理教授。当他们对大肠杆菌 泛滥的地方进行采样时 ，包括鸡舍、鼠窝、污水和 HMS 校园沿街的泥泞河，他们发现了仍然可以感染经过修饰的细菌的病毒。

Nyerges 说，发现细菌不能完全抵抗病毒“真是令人失望”。

最初的方法涉及对 大肠杆菌 进行基因重编程，以从 61 组遗传构件或密码子中制造出所有维持生命的蛋白质，而不是自然产生的 64 组。这个想法是病毒无法劫持细胞因为如果没有丢失的密码子，它们就无法复制。

然而，HMS 团队发现仅删除密码子是不够的。一些病毒正在携带自己的设备来绕过缺失的部分。

因此，Nyerges 和他的同事开发了一种方法来改变这些密码子告诉有机体制造的东西——科学家们还没有在活细胞中做到这一点。

迷失在翻译中

关键在于转移 RNA 或 tRNA。

每个 tRNA 的作用是识别一个特定的密码子并将相应的氨基酸添加到正在构建的蛋白质中。例如，密码子 TCG 告诉其匹配的 tRNA 附加氨基酸丝氨酸。

在这种情况下，剑桥团队删除了 TCG 以及同样需要丝氨酸的姊妹密码子 TCA。该团队还移除了相应的 tRNA。

HMS 团队现在在其位置上添加了新的 trickster tRNA。当这些 tRNA 看到 TCG 或 TCA 时，它们会添加亮氨酸而不是丝氨酸。

Nyerges 说：“亮氨酸在物理和化学上与丝氨酸的区别是最大的不同。”

当入侵的病毒注入自己的充满 TCG 和 TCA 的遗传密码并试图告诉大肠杆菌 制造 病毒蛋白时，这些 tRNA 会扰乱病毒的指令。

插入错误的氨基酸会导致错误折叠的、无功能的病毒蛋白。这意味着病毒无法复制并继续感染更多细胞。

然而，病毒也配备了自己的 tRNA。这些仍然可以准确地将TCG和TCA转化为丝氨酸。但是 Nyerges 和他的同事提供的证据表明，他们引入的骗子 tRNA 非常擅长他们的工作，以至于他们压倒了他们的病毒对手。

Nyerges 说：“证明可以交换生物体的遗传密码是非常具有挑战性的，也是一项巨大的成就，而且只有我们这样做才有效。”

这组作者说，这项工作可能已经清除了使细菌对所有病毒免疫的最后障碍，尽管仍有可能出现一些可以破坏保护的东西。

该团队有信心知道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，”Nyerges 说。

安全措施

这项工作包含两个独立的保障措施。

第一个防止水平基因转移，这是一种不断发生的现象，其中遗传密码片段及其伴随的特征，如抗生素抗性，从一个生物体转移到另一个生物体。

Nyerges 和他的同事通过在修饰的大肠杆菌细胞中对整个基因进行替换来缩短这一结果， 这样所有需要亮氨酸的密码子都被 TCG 或 TCA 取代——这些密码子在未修饰的生物体中需要丝氨酸。由于它们的骗子 tRNA，细菌仍然可以在这些地方正确地制造亮氨酸。

但是，如果另一种生物体将任何修改后的片段整合到自己的基因组中，那么该生物体的天然 tRNA 会将 TCG 和 TCA 解释为丝氨酸，并最终得到不具有任何进化优势的垃圾蛋白。

“遗传信息将是乱码，”Nyerges 说。

同样，该团队表明，如果大肠杆菌 的一个骗子 tRNA 被转移到另一种生物体中，它会将丝氨酸密码子误读为亮氨酸密码子，从而损害或杀死细胞，从而阻止进一步传播。

“任何逃脱的修饰 tRNA 都无法逃脱，因为它们对自然生物有毒，”Nyerges 说。

他说，这项工作代表了第一项防止基因从转基因生物水平转移到自然生物中的技术。

对于第二个故障保险，该团队将细菌本身设计为无法在受控环境之外生存。

该团队使用了 Church 实验室开发的现有技术， 使 大肠杆菌 依赖于一种实验室制造的氨基酸，而这种氨基酸在野外并不存在。例如，培养这些 大肠杆菌 以生产胰岛素的工人会向它们提供非天然氨基酸。但如果有任何细菌逃脱，它们将无法获得该氨基酸并死亡。

因此，Nyerges 强调说，没有人或其他生物有被“超级细菌”感染的风险。

Nyerges 期待探索密码子重编程作为诱导细菌生产医学上有用的合成材料的工具，否则需要昂贵的化学物质。其他门尚未打开。

“谁知道还有什么?” 他沉思着。“我们才刚刚开始探索。”