大腸桿菌(圖:Nano Creative/Science Source)

英國劍橋大學(University of Cambridge)分子生物學實驗室的研究人員,日前成功透過基因合成技術,創造出大腸桿菌(Escherichia coli)基因組,且此次的合成基因組為先前的四倍大,遠比過去創造的更加複雜。研究人員認為這是合成生物學(synthetic biology)的一大里程碑。

基因

生物的基因組由 A、T、C、G 四種鹼基構成,以每三個鹼基為單位組成一對密碼子(coden),因此總共有 64 種變化。以此負責編碼生物體內重要的胺基酸(amino acids)來構成蛋白質,例如 TCT 這對密碼子即代表絲胺酸(serine)。但長久以來令科學家百思不解的是,所有的生物僅需使用 20 種胺基酸,但用了 61 對密碼子來編碼蛋白質,每一種胺基酸都有超過一種密碼子相對應,而另外 3 對密碼子則作為蛋白質連結的停止訊號。

因此,此次的研究團隊重新設計了大腸桿菌的基因組,將 64 種密碼子減少至 61 種,減少其中重複對應的胺基酸,試圖了解這些多餘的密碼子在生物的演化上是否相當關鍵。

合成基因組

在一般的基因組中,共有 6 個密碼子編碼絲胺酸,而研究人員重新設計了其編碼,將此重複性減少至 4 組。此外,也將蛋白質連接的停止訊號由 3 組減至 2 組。但此重新設計後的合成基因組一共有四百萬對鹼基,無法直接將其植入大腸桿菌內。因此,研究人員將合成基因組切成數個鏈段,一步一步取代細菌內原本的基因組,直至完全替換為止。

接受合成基因組的大腸桿菌並未死亡,僅比一般大腸桿菌生長速度較慢,且生長為較長、棒狀的細胞形狀。研究人員希望能更進一步減少密碼組的數量,以了解維持生命所需最少的密碼子數量。

未來發展

此研究團隊並非唯一一組進行合成基因組實驗的團隊,許多藥物公司也正在以基因工程的方式重新編碼產生胰島素(insulin)等重要藥品的微生物基因組,以避免病毒攻擊而導致嚴重的損失。此外,也有科學家認為此方法能夠避免實驗室中的基改生物擴散到自然界中,如哈佛醫學院(Harvard Medical School)的合成生物學家芬恩斯·特林(Finn Stirling)表示:「這可作為生物基因的防火牆。」

事實上,自然界中的胺基酸遠不只有生物所使用的 20 種,因此科學家也認為若合成基因組能夠成功發展,也許能建構出生物無法產生的蛋白質用於生物體內,開啟全新的研究領域。

參考資料:

  1. Zimmer, C. (2019, May 15). Scientists Created Bacteria With a Synthetic Genome. Is This Artificial Life? NYtimes
  2. Fredens, J., et al., (2019, May 15). Total synthesis of Escherichia coli with a recoded genome. Nature DOI:10.1038/s41586-019-1192-5
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