2013年10月28日

科学家重新编码生物体的基因组

一组细菌 大肠杆菌。疾病预防控制中心珍妮丝·哈尼·卡尔

研究人员开发了一种工程改造细菌基因组的方法,以创建新的遗传密码。该技术具有将微生物转化为可以制造新化合物的高效生活工厂的潜力。

合成生物学的新兴领域试图为新的目的重新设计天然生物系统。活的微生物具有快速而可靠地产生蛋白质(细胞的基本组成部分)的有效机制。长期以来,一直利用这种能力来生产大量常规蛋白质,例如胰岛素,以用于医疗用途。

制造蛋白质时,DNA中包含的遗传密码被转录成紧密相关的分子,称为RNA。然后,RNA用作制造蛋白质的模板。

每套3个DNA碱基(称为密码子)指导细胞的机制向正在生长的蛋白质链中添加特定的氨基酸。但是,不同的密码子可以编码相同的氨基酸。例如,GCA,GCC,GCG和GCT都指导细胞机制的不同部分添加相同的氨基酸丙氨酸。同样,UAG,UAA和UGA都是RNA“终止”密码子。一旦氨基酸链完整,每个人都会募集不同的机制来停止蛋白质的生产。

由哈佛医学院的乔治·丘奇博士和耶鲁医学院的法伦·艾萨克斯博士领导的团队着手重新编码 大肠杆菌 基因组,使其能够将合成的非标准氨基酸(NSAA)整合到其蛋白质结构中。这种方法将使细菌制造新材料。这项工作部分由美国国立卫生研究院的糖尿病,消化道和肾脏疾病研究所(NIDDK),美国国立普通医学科学研究所(NIGMS)以及美国国立卫生研究院主任的早期独立奖资助。结果出现在2013年10月18日的 科学。

在这项概念验证研究中,研究人员重新调整了UAG终止密码子的用途。首先,他们将基因组中所有UAG实例切换为另一个终止密码子UAA。这确保了蛋白质的生产仍会在适当的点结束,并使细胞正常运行。然后,他们从牢房中卸下了与UAG相关的停止机械。最后,他们引入了基因工程成分(氨酰基tRNA合成酶和tRNA),这些成分重新分配了UAG以指导细胞将NSAAs整合到氨基酸链中。

为了测试基因组编码的生物(GRO),科学家将UAG密码子包含在绿色荧光蛋白的序列中。他们发现,GRO成功地将NSAA整合到了蛋白质中。

拆除与UAG密码子相关的停止机构不会损害GRO的繁殖能力。 GRO还显示出对感染细菌的一种病毒的抵抗力增强。新的遗传密码可能会在翻译病毒蛋白质时引起错误,从而保护细胞。

GRO的创建增加了研究人员可能能够改造自然并创建新形式的蛋白质的可能性。在一项伴随研究中,哈佛大学的研究小组表明该方法对于基因组中的其他几个密码子也是可行的。

艾萨克斯说:“由于遗传密码是通用的,因此提高了对其他生物的基因组进行编码的前景。” “这对生物技术产业具有巨大的影响,并可能为研究和应用开辟全新的途径。”

—由Katherine Wendelsdorf博士撰写。

相关链接

参考文献: 基因组编码的生物扩展了生物学功能。 科学。 2013年10月18日; 342(6156):357-60。 doi:10.1126 / science.1241459。 PMID:24136966。

资金: 美国国立卫生研究院国立糖尿病,消化与肾脏疾病研究所(NIDDK),美国国立普通医学科学研究所(NIGMS),以及美国国立卫生研究院院长的早期独立奖;美国能源部;国家科学基金会;阿诺德和梅贝尔·贝克曼基金会;和美国国防部。