什么是基因编码生物？

从遗传学角度来看，地球上的所有生命都讲同一种语言。我们都有 DNA 和/或它的近亲 RNA。我们所有的遗传物质都由同一批基本核苷酸组成，这些核苷酸通常用其全名的首字母来表示——DNA 为 A、C、G 和 T；RNA 为 A、C、G 和 U。地球上的所有细胞甚至都以相同的方式读取这些字母，因此不同物种的细胞通常能够读取彼此的 DNA。这就是制药公司能够将人类胰岛素基因放入细菌和酵母中以生产糖尿病胰岛素药物的原因。想看一个粗略的例子吗？在遗传学历史的早期，一些生物学家将人类眼睛基因放在果蝇的腿上……果蝇细胞就形成了果蝇眼睛。

然而，现在来自美国几所大学的科学家团队已经找到了一种方法，可以对细胞语言进行细微但根本性的改变。这是一种与科学家以前做过的完全不同的基因工程。

耶鲁大学生物学家、这项研究的首席科学家之一法伦·艾萨克斯 (Farren Isaacs) 告诉《大众科学》 ：“这是我们首次创造出具有新的或替代代码的有机体。”

加州大学伯克利分校的生物工程师丹尼尔·图尔曼-埃尔切克（Danielle Tullman-Ercek）表示：“这就像编写一个新的操作系统。”她没有参与这项研究。相比之下，她将之前的基因工程比作“添加一个新的软件”。

在传统的基因工程中，科学家将整个基因（数百个核苷酸组成的连贯链）放入细胞中。通常他们根本不会干扰细胞自身的原始基因。相比之下，艾萨克斯和他的团队对大肠杆菌自身的天然 DNA 进行了微小的特定改变。

这种新型基因工程技术可以帮助解决该领域的两个主要问题。它可以使细菌更能抵抗感染，这对大量生产工程细菌的公司来说是一件好事。其中包括那些试图培育用于生产生物燃料或吞噬污染物的工程细菌的公司。（是的，细菌也会感染！）

它还可以使其他细胞无法读取经过改造的 DNA 片段，从而减轻了人们对改造基因可能逃逸到环境和野生生物体内的担忧。这不是一个小问题：就在今年 8 月，一组生物学家证明转基因水稻能够将其改造后的基因转移到附近的杂草中。

一种新型转基因生物：GRO

艾萨克斯和他的团队为他们的基因密码重写创造了一个新术语。他们称之为“重新编码”，并将其结果称为“基因重编码生物”，简称 GRO。艾萨克斯称，GRO 是转基因生物（简称 GMO）的一个子集。

如果算一下的话，艾萨克斯和他的同事所做的改变似乎并不多。科学家们改变了大肠杆菌基因组中的 321 个核苷酸，该基因组约有 450 万个核苷酸。他们还消除了细胞制造一种特定蛋白质的能力。

然而，在一系列实验中，艾萨克斯团队表明，这些微小的变化使大肠杆菌能够做到两件大事。

在一项实验中，该团队将两种类型的病毒放入了生长大肠杆菌中。病毒通常会劫持细胞机制进行自我复制。然而，生长大肠杆菌的机制非常不同，其中一种病毒很难感染细菌。另一种病毒可以正常感染大肠杆菌。康奈尔大学生物工程师 Julius Lucks（未参与 Isaacs 的团队）表示，对大肠杆菌基因组进行进一步重新编码应该会使细菌对更多类型的病毒更不可读，从而更具抵抗力。

在另一项实验中，艾萨克斯和他的同事在大肠杆菌中加入了机器，使其能够制造出自然界中不存在的蛋白质。通常，生物体内的蛋白质由 20 种天然氨基酸的不同组合组成。多年来，科学家们一直致力于创造非天然氨基酸或 NSAA（非标准氨基酸）。他们让细胞用人工氨基酸制造蛋白质，但这是一个低效的过程。艾萨克斯和他的同事让大肠杆菌高效而有效地生产出第 21 种氨基酸。他们对大肠杆菌DNA 所做的改变恰好消除了之前干扰非天然氨基酸生产的自然过程之一。

非天然氨基酸很有用，因为它们可以让科学家创造具有全新功能的蛋白质。这些蛋白质随后可以用于药物或工业化学反应。艾萨克斯举了一家名为 Ambrx 的公司的例子，该公司使用人工氨基酸制造药物。

此外，由于第 21 种氨基酸的编码是采用这种改变的遗传语言，其他细胞应该无法读取它。这降低了野生细菌或植物获取第 21 种氨基酸基因并开始自行生产的可能性。“你可以想象这实际上是一种安全的转基因生物，”艾萨克斯说。艾萨克斯和他的团队没有测试他们的 GRO 的这一方面，但《大众科学》采访的其他生物工程师表示，非 GRO 几乎不可能与 GRO 交换基因。

尽管从数字上看，GRO 的变化很少，但 Lucks 称 GRO 是“概念上的一次巨大突破”。“它确实为彻底重新思考遗传密码打开了大门，”他说。

艾萨克斯和他的同事今天在《科学》杂志上发表了他们的研究成果。