研究人员能够制造出由多达八种单体串联而成的聚合物。他们将这些聚合物的末端连接在一起形成大环,这是一种构成某些药物(例如某些抗生素和抗癌药物)基础的分子。
撰稿:ZS 排版:王落尘
编审:王新凯
大肠杆菌作为一种重要的模式工业微生物,在医药、化工、农业等方面具有广泛的应用。近30年来,多种代谢工程改造的新策略和新技术,被用于设计、构建和优化大肠杆菌细胞工厂,极大地提高了生物法合成化学品的生产速率和产量。
不过,此前对于大肠杆菌的利用,仅局限在自然界中存在的物质上,无法满足人们对于化工生产的需求。长期以来,科学家一直努力改造大肠杆菌,试图让它按照人们的设计合成自然界中未曾出现的聚合物。
近日,来自英国剑桥医学研究委员会(MRC)分子生物学实验室 Jason W. Chin 教授带领的团队,在全人工合成的大肠杆菌体内,通过敲除相关密码子TCG,TGA,TAG的tRNAs和释放因子,使该菌株实现了对噬菌体的完美抵抗力。同时将有意义密码子重新分配给非常规单体,实现了不同非常规单体的高效连续聚合以产生非常规杂聚物和大环化合物。
该研究以“Sense codon reassignment enables viral resistance and encoded polymer synthesis”为题,发表在最新一期的 Science 杂志上。
对此 Chin 教授表示,“全人工合成的大肠杆菌,可以允许我们按自己的需求编辑基因,用自然界中不存在的单体制造聚合物。因此,这些细菌可能会变成可再生和可编程的化工厂,生产各种新颖的分子。这对于生物技术以及新药以及抗生素的合成都是非常有帮助的。”
现在学界广泛猜测如果移除某些有意义的密码子以及相关可以读取它们的tRNAs,可能能够使细胞具有各种不同的性质,包括新的抗病毒模式以及有能力编码非常规杂聚物的生物合成。然而,这些假设仍然没有在实验室中被证实。
为了探索基因的奥秘,2019年,MRC分子生物学实验室的团队为大肠杆菌创建了第一个从头开始合成的全基因组。首先提取并分析了野生大肠杆菌的基因组成,分析每个基因对于大肠杆菌的生存意义。此后经过 2 年的时间,研究人员重新设计并合成了大肠杆菌所需的所有基因,再使用这些重组的基因合成了首个“人造”大肠杆菌。
全新设计并合成的人工基因组大约包含 400 万个碱基对。如果用标准 A4 纸打印这些基因组,大约需要 970 页,这是人类历史上首次合成那么长且复杂的基因组。
在经过 18218 次编辑后,科学家们终于完成了对大肠杆菌所有基因的重新设计与合并。重新设计的碱基序列使用化学合成法合成并被一段一段地导入大肠杆菌内,最终人工合成的基因组全部代替了野生型基因组,首个完全合成且彻底改变了一种 DNA 构成的生物诞生了,其被命名为 Syn61 。
人造大肠杆菌合成非自然新型聚合物
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