研究人员已经开发出一种改良的大肠杆菌菌株，它能抵抗自然病毒感染，逃逸到环境中的风险也很低。基因工程和合成生物学的这一突破有望降低药物和其他物质(如生物燃料)生产中病毒污染的风险。目前，细菌中的病毒感染会导致生产中断，危及药物安全，并导致高额的经济成本。
名为噬菌体的病毒感染细菌的图示。研究人员已经开发出一种改良的大肠杆菌菌株，它对自然界的病毒感染有抵抗力，而且逃逸到环境中的风险很低。
在基因工程和合成生物学的进步中，研究人员修改了一种大肠杆菌菌株，使其对自然病毒感染免疫，同时最大限度地减少细菌或其修改后的基因逃逸到野外的可能性。这项工作有望在利用细菌生产胰岛素等药物以及生物燃料等其他有用物质时减少病毒污染的威胁。目前，感染大桶细菌的病毒会导致生产中断，损害药物安全，并造成数百万美元的损失。
研究结果发表在3月15日的《Nature》杂志上。
该研究的第一作者、哈佛医学院布拉瓦尼克研究所George Church实验室遗传学研究员Akos Nyerges说:“我们相信，我们已经开发出了第一项技术，可以设计一种不会被任何已知病毒感染的生物。我们不能说它完全抗病毒，但到目前为止，基于广泛的实验室实验和计算分析，我们还没有发现一种病毒可以破坏它。这项工作还提供了第一个内置安全措施，可以防止修改过的遗传物质被纳入自然细胞。这项工作提出了一种通用方法，可以使任何生物对病毒免疫，并防止基因流入和流出转基因生物。随着各团体探索转基因生物的安全部署，用于种植作物、减少疾病传播、生产生物燃料和从开放环境中清除污染物，这种生物遏制战略越来越受到关注。”
这些发现建立在基因工程师早期努力的基础上，他们试图获得一种有用的、安全的、抗病毒的细菌。2022年，剑桥大学的一个研究小组认为他们培育出了一种对病毒免疫的大肠杆菌菌株。但随后，Nyerges与研究员Sian Owen和研究生Eleanor Rand合作，在HMS布拉瓦特尼克研究所生物医学信息学助理教授Michael Baym的实验室中合作。当他们对当地大肠杆菌流行的地方进行采样时，包括鸡舍、老鼠窝、污水和HMS校园附近街道上的浑河，他们发现了仍然可以感染改良细菌的病毒。
最初的方法涉及对大肠杆菌进行基因重组，使其从61组基因构建模块(或密码子)中制造所有维持生命的蛋白质，而不是自然产生的64组。他们的想法是，病毒无法劫持细胞，因为没有缺失的密码子，它们就无法复制。然而，HMS团队发现，删除密码子是不够的。有些病毒带着自己的设备绕过缺失的碎片。因此，Nyerges和同事们开发了一种方法来改变这些密码子告诉生物体制造的东西——科学家们还没有在活细胞中做到这种程度。
关键在于传输RNA，简称tRNAs。每个tRNA的作用是识别一个特定的密码子，并将相应的氨基酸添加到正在构建的蛋白质中。例如，密码子TCG告诉其匹配的tRNA附着氨基酸丝氨酸。在这种情况下，剑桥团队删除了TCG和姐妹密码子TCA，后者也需要丝氨酸。该团队还删除了相应的tRNAs。
HMS团队现在在它们的位置上添加了新的诱骗tRNAs。当这些tRNAs看到TCG或TCA时，它们会添加亮氨酸而不是丝氨酸。亮氨酸和丝氨酸在物理和化学上的区别是最大的。
当入侵病毒注入自己充满TCG和TCA的遗传密码，并试图告诉大肠杆菌制造病毒蛋白时，这些tRNAs会打乱病毒的指令。插入错误的氨基酸会导致错误折叠、无功能的病毒蛋白质。这意味着病毒无法复制并继续感染更多细胞。然而，病毒也配备了自己的tRNAs。这些仍然可以准确地将TCG和TCA转化为丝氨酸。但Nyerges和他的同事们提供了证据，证明他们引入的骗子tRNAs非常擅长他们的工作，以至于它们压倒了它们的病毒对手。
Nyerges说:“证明交换生物体的遗传密码是可能的是非常具有挑战性的，也是一项巨大的成就，而且只有我们这样做才有效。这项工作可能已经清除了使细菌对所有病毒免疫的最后一个障碍，尽管仍有可能出现一些可以打破保护的东西。”
研究小组对克服密码子交换需要病毒同时产生几十种特定的突变很有信心。“但对于自然进化来说，这是非常非常不可能的，”Nyerges说。
使用安全保障
这项工作包括两个独立的保障措施。第一种是防止水平基因转移，这是一种不断发生的现象，遗传密码片段及其伴随的特征，如抗生素耐药性，从一个生物体转移到另一个生物体。
Nyerges和他的同事通过在改良后的大肠杆菌细胞中对基因进行替换，使所有需要亮氨酸的密码子都被TCG或TCA取代——这些密码子在未经改良的生物体中需要丝氨酸。细菌仍然在这些地方正确地制造亮氨酸，因为它们的骗子tRNAs。然而，如果另一种生物将任何经过修饰的片段整合到自己的基因组中，该生物的天然tRNAs会将TCG和TCA解释为丝氨酸，最终得到没有任何进化优势的垃圾蛋白。
同样，研究小组发现，如果大肠杆菌的一个骗子tRNAs被转移到另一个生物体上，它会将丝氨酸密码子误读为亮氨酸密码子，从而破坏或杀死细胞，防止进一步传播。Nyerges说:“任何逃脱的经过修饰的tRNAs都不会走远，因为它们对自然生物有毒。”
他说，这项工作代表了第一项阻止基因从转基因生物横向转移到天然生物的技术。对于第二个安全保险，研究小组设计了细菌本身，使其无法在受控环境之外生存。
该团队使用了Church实验室开发的现有技术，使大肠杆菌依赖于实验室制造的氨基酸，这种氨基酸在野外不存在。例如，培育这些大肠杆菌以生产胰岛素的工人会给它们喂食非天然氨基酸。但如果有任何细菌逃脱，它们就会失去接触这种氨基酸的途径并死亡。
因此，没有人或其他生物有被“超级细菌”感染的风险。
Nyerges期待着探索密码子重编程，将其作为诱导细菌生产医用合成材料的工具，否则将需要昂贵的化学反应。其他的大门尚未打开。
参考文献
A swapped genetic code prevents viral infections and gene transfer
