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科學家再次扮演上帝!劍橋大學創造全球第一個「全人工基因編輯生物體」

2019-05-16 20:30

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英國劍橋大學科學家重新編寫大腸桿菌的DNA。(pixabay)

英國劍橋大學科學家重新編寫大腸桿菌的DNA。(pixabay)

科學界對基因編輯的研究已經進行多年,有朝一日基因編輯技術或許可以改寫人類DNA,用以治療遺傳性疾病,如今基因編輯技術出現了一項大突破。全球頂尖學術期刊《自然》15日刊登劍橋大學研究團隊的基因研究論文,團隊創造出一個「基因體」完全由人工編寫的一株大腸桿菌(E. coli)菌株。

英國劍橋大學分子生物學實驗室研究人員經過兩年研究,在實驗室中重新編寫出一株大腸桿菌菌株的全部基因體。這株菌株擁有4百萬對由「A、T、C、G」四組鹼基(base)組成的鹼基對,若將這株大腸桿菌株的鹼基列印在A4大小的紙上將多達970頁,也創下了最龐大的人工編寫基因體紀錄。該計畫的負責人、劍橋大學分子生物學實驗室科學家錢傑森(Jason Chin)表示,團隊進行實驗時,並不確定能不能將基因體改寫得如此龐大。

大腸桿菌(維基百科.公有領域)
大腸桿菌(維基百科.公有領域)

破解基因秘密 團隊用59組譯碼合成出20種必需氨基酸

組成生物基因的「去氧核醣核酸」(DNA)是一串由四個固定鹼基「A、T、C、G」排列組合而成的更巨大分子,每三個鹼基會排列出一組譯碼(codon),總共會排列出64組譯碼,這64組譯碼再排列組合成亂碼,在這些亂碼中如果出現,有功能、有作用的片段,即為基因,基因則會組合成基因體(genome)。

英國《衛報》(The Guardian)指出,從水母到人類幾乎所有的生命體,都使用了64組譯碼,但64組譯碼中有些的功能重複,其中61組譯碼會產生20種天然氨基酸,它們像串珠一樣串在一起,建構出自然界中任何一種的蛋白質。剩下3組的譯碼就像是休止符號,功用是在蛋白質建構完成時通知細胞,如同標記一個句子結束的句號一樣。

利用「代替功能」研究團隊「編寫」出抗病毒的大腸桿菌

DNA是一串由四個固定鹼基「A、T、C、G」排列組合而成的更巨大分子,每三個鹼基會排列出一組譯碼(codon)。(pixabay)
DNA是一串由四個固定鹼基「A、T、C、G」排列組合而成的更巨大分子,每三個鹼基會排列出一組譯碼(codon)。(pixabay)

劍橋大學的研究團隊不僅重新編碼了大腸桿菌菌株的全部基因體,同時只用59組譯碼就合成出20種必需氨基酸,並將代表「休止符號」的譯碼從3個壓縮為2個,剩下的譯碼為將來在活細胞內生成非天然的蛋白質,提供了合成空間。

研究團隊是如何做到?首先,科學家在64組由三個鹼基組合而成的譯碼中,找出代表「休止符號」的TAA、TAG和TGA三組譯碼,並將其中一組TAG全部替換為同樣代表休止符號的TAA。在剩下61組會生成氨基酸的譯碼中,其中兩個用來編碼「絲氨酸」(Serine)的譯碼組TCC和TCA,替換為同樣功能的AGC和AGT。大腸桿菌細胞由400萬對鹼基組成,而經過實驗團隊重新編碼替換的譯碼共有18218對。

大腸桿菌(維基百科.公有領域)
大腸桿菌(維基百科.公有領域)

可用於生產癌症、多發性硬化症、心臟病和糖尿病藥劑

重新設計的基因編碼組會對未來基因工程研究帶來什麼貢獻?錢傑森說,由於重新編碼的DNA與一般DNA不同,入侵的病毒很難在內部傳播,使它們具有抗病毒性。大腸桿菌被大量使用在治療癌症、多發性硬化症、心臟病和糖尿病的藥劑中,但當過程中遭到病毒或其他微生物污染時,整個生產過程都會被破壞。被編輯過的大腸桿菌病毒具有抗病毒性,病毒帶來的破壞。

此外,釋放出的多餘編碼在未來可以被用於許多其他途徑,例如,讓相應編碼的轉運核醣核酸(Transfer RNA)改去接附其他的非天然氨基酸,進而在細胞或生物體內合成新的多肽或蛋白質,也為工業應用中構建更廣泛的蛋白質打開了一扇門。

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