“终极保险”打造更安全的基因工程生物

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我们也许都经历过这样的场景:在一台计算机上写好的文件,在另一台计算机上打开后,却发现好好的文本变成了一堆难以识别的乱码。这大多是由于选错了编码所致。

事实上,有序的文本和无序的乱码,它们在计算机看来是一样的——都是一串0和1构成的代码。唯一不同的是,不同的编码系统,决定了计算机如何判读这串0-1代码,从而造成了“文本”和“乱码”的区别。

和计算机系统类似,生命本身也有一套编码系统,这就是我们所熟知的核酸到蛋白质的三联体密码系统——核酸上每三个碱基可以决定一个氨基酸。这套密码系统能通过“翻译”(Translation)将mRNA上的遗传密码转换成多肽,随后加工为有功能的蛋白质在几乎所有的生物体中,这种编码的对应关系是一样的。这种通用的编码系统构成了生物工程得以实现的基石,使人类能够用大肠杆菌生产人的胰岛素,或是在烟草中合成对抗埃博拉病毒的抗体。

然而,正是“生命编码”的通用性,让不少人对生物工程的安全性产生了怀疑。尽管目前在研发和生产上有着极为严格的管理措施,人们还是担心一旦这些人工改造过的生物体释放到环境中,它们的基因会被野生个体获得,或是获得野生个体的基因,从而造成生态问题.   在1月21日的《自然》杂志中,来自哈佛大学的乔治·丘奇(George Church)教授,以及来自耶鲁大学的法伦·艾萨克斯(Farren Isaacs)教授分别发表了各自的研究。他们从根本上杜绝了这种生态问题产生的可能,而他们采用的方法就是:改变人造生物体最为基础的编码系统,使“通用”的编码变得并不“通用”。

通过使这些“基因组重编码生物”的生存依赖于自然界中所没有的、需要人工合成的氨基酸,人们得以锦上添花地构建更安全的基因工程生物。图片来源: Spencer Katz

被改变的编码

人们已经知道,三联密码子一共有64种组合可能,而这64种组合,只对应20种氨基酸和一个“停止”信号,因此这造成了“多个组合对应一个编码”的所谓“冗余性”现象。例如,UAA、UAG、UGA三个密码子,都能表示“翻译停止”的意思。因此这种编码的冗余性给了“重编码”以操作的空间。

早在2013年,丘奇和艾萨克斯所领导的团队就改变了大肠杆菌的编码系统。在2013年的工作中,研究团队扫描了整个大肠杆菌的基因组,并通过多重自动基因组编辑(Multiplex automated genome engineering ,MAGE)手段,将所基因组上所有TAG密码子改为了TAA(DNA中的T对应RNA中的U),并且删除了原本能够识别UAG密码子的转录终止蛋白(释放因子1,RF1)。同时,研究团队又给改造过的大肠杆菌中引入了新的氨基酰-tRNA合成系统,从而赋予UAG密码子编码一种非天然氨基酸的能力。这样一来,在这新的大肠杆菌菌株之中,如果遇到UAG密码子,将会在肽链中引入非天然氨基酸,而非像在普通大肠杆菌中那样终止翻译。

这一工作是人类第一次人工改变生物最为基础的编码系统,相当于在计算机行业中重新定义了通行的Unicode编码系统——尽管只是改变了一个编码,就足以造成兼容性的降低。

基因工程生物体的“终极保险”

由于改变编码能够降低生物间的“兼容性”,研究者很快意识到,如果在将一些关键基因进行类似的改造,那么可以将这种“兼容性”降低为接近0。经过改造的生物体,即使到环境中,也因为“编码”的不同而不能生存。

丘奇团队在经过编码改造后大肠杆菌中挑选了6个基因,这些基因编码对细菌生存起重要作用的蛋白质。他们对这些基因进行了仔细的设计,使得引入了非天然氨基酸的蛋白质产物能够完全替代原有蛋白质的功能。最终,研究团队获得了含有1-3个基因改造的大肠杆菌菌株,它们只能在人工添加特定的非天然氨基酸后才能生存。

粗看起来,这似乎类似于目前采用的防止基因工程生物体扩散的手段,即“营养缺陷”。所谓营养缺陷,指的是该生物体具有特定的代谢缺陷,需要人为添加必要的营养成分才能生存。然而,通常的营养缺陷限制手段可以被几种方式所突破,即发生“逃逸”。例如,生物体可以通过在环境中获取营养成分、突变恢复代谢缺陷,或者通过横向基因转移(Horizontal gene transfer,HGT)来获得必要的代谢能力。

在《侏罗纪公园》里,复现的恐龙代需要人们在食物中特别添加一种氨基酸维持生存,以保证恐龙逃出去之后不能存活。但这种营养缺陷限制手段还是可能被突破。相比之下,丘奇的解决思路很可能更加可靠。图片来源:xkcd,Ent编译

但在丘奇的研究中,这些途径都能被有效阻断。首先,研究者使用的非天然氨基酸——在自然界中压根就不存在,基因工程生物体无法获得。其次,突变无法为细菌带来合成非天然氨基酸的通路;而由于非天然氨酸位于关键蛋白内,突变也几乎不可能恢复对蛋白氨基酸缺失的耐受性。最后,对于横向基因转移来说,DNA片段的交换会转移进以UAG为终止密码子的普通基因,但由于RF1缺失,蛋白质合成不能正常终止。此外,即便连编码RF1的基因也被转移进来,该基因所表达的RF1也会和识别UAG密码子的tRNA竞争,同样影响蛋白质的合成。

事实上,丘奇团队研究过改造后的大肠杆菌在不同环境下逃逸的概率。结果表明,在对3个重要基因进行改造后,大肠杆菌的逃逸概率处于10-12到“未检测到”的水平,换句话说,每一万亿个大肠杆菌之中,只可能出现一个能绕过所有限制条件而逃逸——这是目前美国国家卫生研究院(National Institutes of Health,NIH)所建议限制的微生物逃逸概率的一万分之一。艾萨克斯的团队采取了类似的另一套方案,也获得了类似的结论。可以说,这一新的方法,为基因工程生物体在环境释放环节上的安全性打上了“终极保险”。

岂止于安全

事实上,针对人工改造生物的安全性而言,目前所采取的措施对于现有生产生活已经足够安全。丘奇和艾萨克斯所做的工作,可以说是锦上添花。这种技术不但能够应用于避免工程菌的在环境中不可预期的扩散,在其他方面其实还有着更为重要的作用。

在诸如制药等涉及工程菌发酵的产业中,噬菌体污染通常会使得工程菌大量死亡,造成极为惨重的损失。通过改变编码技术,可以让病毒自身的核酸在细菌体内无法得到表达,从而形成对噬菌体的抗性。这极大降低了生产风险和损失。

此外,对生物体进行“重编码”的技术,也使人们有能力将原本自然中不存在的氨基酸“掺入”蛋白质之中,从而生成全新的蛋白质。这类全新的蛋白质可能作为新的药物、催化物等功能性物质,从而在人类健康、工业发展等方面做出新的贡献。

而更为重要的是,这种技术拓展了人们对生命基本过程的认识和理解。这种深化的认识和理解,将大大推动生命科学的发展和应用。正如同计算机编码系统的演变标志着计算机技术的发展一样,“生命编码”的演变也必将引导生命科学和技术的飞跃。(编辑:Calo)

参考文献:

  1. Marc J. Lajoie et.al.,Genomically Recoded Organisms Expand Biological Functions,Science,2013,342(6156),357
  2. Daniel J.Mandell et.al.,Biocontainment of genetically modified organisms by synthetic protein design,Nature,2015
  3. Alexis J. Rovner et.al.,Recoded organisms engineered to depend on synthetic amino acids,Nature,2015

文章题图:Spencer Katz

 
 
 

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