在大自然中，生物的基因組可利用64個密碼子編碼蛋白質(zhì)的合成，并能從多達(dá)6個同義編碼子中選擇1個有義密碼子來編碼每個氨基酸。同義密碼子具有多樣性特點，并可能在基因組的不同位置具有不同的作用。已有研究發(fā)現(xiàn)，許多同義替換是有害的，同義密碼子的改變會影響mRNA的折疊，蛋白的表達(dá)和共翻譯蛋白折疊。

5月16日，劍橋大學(xué)的科學(xué)家在《自然》發(fā)表了合成生物學(xué)的重磅研究成果。該研究團(tuán)隊證明，通過在基因組范圍內(nèi)用定義的同義密碼子替換目標(biāo)密碼子，用于編碼標(biāo)準(zhǔn)氨基酸的密碼子數(shù)目可以減少?；诖?，該研究團(tuán)隊通過高保真人工合成技術(shù)，將大腸桿菌4Mb的基因組被替換為合成基因組，該大腸桿菌變體只有61個密碼子，打破了傳統(tǒng)生命體中64個密碼子編碼蛋白質(zhì)的認(rèn)知。該文章標(biāo)題為“Total synthesis of Escherichia coli with a recoded genome”。

圖1. 該文章發(fā)表在《自然》

研究團(tuán)隊通過合成基因組構(gòu)建了一種可定義的重編碼和重構(gòu)方案，該方案只需在7個位置上進(jìn)行簡單的矯正，就可以替換基因組中已知的兩個同義密碼子和一個終止密碼子。為此，研究人員設(shè)計了開放閱讀框（ORF），重新編碼了18,214個密碼子，并成功將大腸桿菌中絲氨酸密碼子TCG、TCA替換為同義密碼子AGC、AGT，琥珀密碼子TAG替換為TAA。最終構(gòu)建出一株只有61個密碼子的大腸桿菌。該大腸桿菌可利用59個密碼子編碼20個氨基酸，并可刪除此前必需的轉(zhuǎn)移RNA。

研究中，合成基因組被分成8個部分（A至H），每個部分長約0.5Mb。每個部分又分成4~5個片段，可產(chǎn)生37個91kb~136kb的片段。研究人員將這些合成片段放置在非必需基因之間的基因區(qū)域，將片段進(jìn)一步打斷成為9~14個長度約為10kb的片段。經(jīng)過試驗驗證和方案優(yōu)化，研究人員最終可在基因組范圍內(nèi)將全部的UCG、UCA、UAG都替換為同義密碼子。

圖2. 大腸桿菌Syn61中同義密碼子的壓縮替換。

在基因組的整合研究中，研究團(tuán)隊利用了細(xì)菌接合的方法，并成功替換了大腸桿菌1.8萬個目標(biāo)密碼子，該菌株被命名為Syn61。在Syn61中缺失了編碼tRNASerUGA的serT，編碼tRNASerCGA的serU和編碼RF1的prfA這三個必需基因，表明同義密碼子被成功壓縮。據(jù)悉，該過程引入了8個非預(yù)期突變，研究人員表示這不影響重編碼。

圖3. 大腸桿菌Syn61的生物學(xué)特征。

最后，研究團(tuán)隊對Syn61的部分性狀進(jìn)行了檢驗。研究結(jié)果顯示，在LB培養(yǎng)基中，Syn61繁殖速度是原菌株的1.6倍，其菌體長度略長于原菌株。在蛋白組檢測中未發(fā)現(xiàn)明顯差異。研究團(tuán)隊表示，將在后續(xù)研究中描述Syn61中同義密碼子替換的后果，并研究其他重新編碼方案。

此前，有大量的重編碼方案理論，但并非所有的重新編碼方案都是可行的。有研究僅能在基因組中重新編碼定義83個(0.43%)目標(biāo)密碼子，該研究利用重構(gòu)和重新編碼方案合成了新的基因組，并能完成全基因組范圍內(nèi)的同義密碼子替換。該研究方案可定向、無縫穩(wěn)健的整合合成基因組，為未來的基因組合成提供了藍(lán)圖，也為重編碼多種非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸甚至合成非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸高聚物奠定了基礎(chǔ)。

參考資料：

Total synthesis of Escherichia coli with a recoded genome

https://www./articles/s41586-019-1192-5