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科学家用人造DNA制造细菌

医学研究委员会分子生物学实验室的研究人员成功地重写了大肠杆菌或大肠杆菌的DNA组成。正如详细描述Nature研究的论文所述,“基因组替代的规模比以前报道的任何生物体的基因组或染色体替代规模大约4倍。”

科学家用人造DNA制造细菌

“使用减少数量的有义密码子(59)来编码20个规范氨基酸的有机体的产生表明生命可以用减少数量的同义有义密码子进行操作。”

密码子是三个DNA或RNA核苷酸的序列。这些密码子在体内蛋白质产生过程中对应于特定的氨基酸或停止信号。DNA和RNA分子均由四个密码子组成,蛋白质由20个氨基酸组成。

全套密码子称为遗传密码,该遗传密码包括由四种DNA和RNA密码子制成的密码子序列的64种可能组合。在64个密码子中,61个是氨基酸,3个是停止信号,它们表示序列的末端。

一项“里程碑式”研究

虽然没有参与这项研究,伦敦帝国理工学院合成生物学中心主任汤姆埃利斯谈到了突破的重要性。

这是一个具有里程碑意义的[研究]。没有人在规模或者之前的变化数量方面做过类似的事情。“

汤姆埃利斯

新创建的合成基因组采用全新方法构建,长度为400万碱基对。为了对这个新基因组进行透视,九年前创建了另一个合成基因组,其长度仅为100万个碱基对。

Jason Chin领导了这项研究,目前是医学研究委员会分子生物学实验室的项目负责人,同时也是化学和合成生物学中心的负责人。除了这些职位,他还是剑桥大学化学与化学生物学教授。

Chin想要理解为什么所有生物都以同样的方式编码遗传信息。

“细胞中每个氨基酸的产生是由排列在DNA链中的三个碱基引导的,”Chin解释说。“这些三重奏中的每一个都被称为密码子。例如,密码子TCT确保称为丝氨酸的氨基酸附着在新蛋白质的末端。

“由于只有20种氨基酸,你认为基因组只需要20个密码子来制造它们。但由于没有人理解的原因,遗传密码充满了冗余。氨基酸由61个密码子编码,而不是20个。例如,丝氨酸的产生由六个不同的密码子控制。“

Chin询问所有这些“DNA块”是否对生命至关重要,但由于生命“普遍”使用了64个密码子,因此尚未找到答案。为了更接近找到答案,Chin和他的实验室制作了一个基因组,可以帮助他更深入地了解这个问题。

遗传蓝图

Chin和他的同事们在计算机上创建了大肠杆菌基因组的修改版本,该计算机使用61个密码子来创建大肠杆菌所需的氨基酸。

研究人员发现,大肠杆菌基因组仅使用四个密码子来制造丝氨酸而不是通常的六个。这四个密码子仅包括两个终止密码子而不是三个。

该论文解释说,他们记录了“18,214个密码子来创建一个具有61个密码子基因组的生物体。”它继续说,“这个生物体使用59个密码子编码20个氨基酸,并能够删除以前必需的转移RNA。 ”

在替换了18,214个密码子之后,研究人员留下了一个新基因组的蓝图,该基因组长达400万个碱基对。将实验室合成的DNA导入大肠杆菌基因组是下一个挑战。

基因组太长太复杂,不能立即引入细胞。为了解决这个问题,研究人员建立了小片段,并将它们逐个放入大肠杆菌基因组中。完成此过程后,没有留下任何自然区段。

尽管对大肠杆菌基因组进行了广泛的改变,但在该过程结束时它仍然存活,尽管细菌生长比天然大肠杆菌慢得多,并且其细胞比其天然对应物长。

汤姆埃利斯没有参与这项研究,但评论道,“在规模或者之前的变化数量方面,没有人做过像这样的事情。”

地平线上的“新生物”

在纽约时报为物质写的一篇文章中,卡尔齐默说:

有朝一日取得的成就可能会导致生产新药或其他有价值分子的生物,如生活工厂。这些合成细菌也可能提供关于遗传密码如何在生命早期出现的线索。“

该论文指出,该研究的下一步将包括更多地描述同义密码子压缩的后果以及调查其他重新编码方案。

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