Science：成功设计出只使用57种密码子的大肠杆菌菌株

地球上几乎所有生命的DNA都包含大量冗余序列，科学家们长期困惑这些冗余究竟具有特定功能，还是进化过程留下的无用遗迹。DNA和RNA均包含密码子——这种由三个核苷酸组成的序列，或在蛋白质合成过程中指导特定氨基酸的组装，或向细胞发出终止信号（终止密码子）。

总计存在64种可能的密码子组合，这些组合对地球所有生命而言几乎具有普适性。但部分密码子存在冗余：细胞仅使用20种氨基酸，其中61种密码子参与蛋白质合成，3种用作终止信号，这就形成了大量密码子冗余。

有研究表明这种冗余可能有助于防止DNA突变，但通过移除冗余部分来简化某些生物的遗传密码也可能带来益处。2019年，一组科学家通过对大肠杆菌基因组进行18,214处编辑，将其密码子从64种精简至61种。他们将由此获得的病毒抗性版本命名为Syn61，该菌株正被用于开发更可靠的药物及制造新型材料。

如今，一组曾参与Syn61研究的科学家团队成功将大肠杆菌的遗传密码进一步精简至57种，创造出Syn57菌株。他们近期将研究成果发表于《科学》期刊。

这项进一步的精简工作堪称浩大工程。研究团队通过将基因组划分为38个片段，并精心用同义密码子（功能相同的密码子）替换冗余密码子，累计完成超过101,000次密码子更改。每次替换后，研究人员必须评估该操作是否会损害细菌的生存能力，然后才能推进后续工作。

他们解释道："在合成过程的每个阶段进行定位和修复，对于推进下一步合成至关重要。这些实验为将'即时'缺陷定位与修复机制整合到合成方案提供了范式——局部缺陷在合成早期即被识别修复，而在组装过程中出现的远期缺陷（可能是上位性或合成致死性缺陷）也会被实时发现并修正。"

最终，团队通过用同义密码子替换六个有义密码子和一个终止密码子，成功将遗传密码精简至57种。由此产生的新菌株确为活体生物，但研究人员发现其生长速度比亲本菌株慢约四倍——这是他们希望最终解决的问题。不过，新菌株展现出独特的基因表达谱，表明其发生了广泛的生理适应性变化。

该菌株的潜在应用包括开发生物技术和工业用的病毒抗性生物体，以及合成具有新特性的蛋白质和聚合物。总体而言，研究人员对这种新菌株的潜力持乐观态度。他们的工作也引发了新思考：密码子数量的精简是否存在极限？能否创造出具有全新生物化学特性的生物体？

研究作者表示："这项成果证明基因组合成技术能够将生物体的基因组序列推进到自然生命从未涉足的新序列空间。"（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Wesley E. Robertson et al, Escherichia coli with a 57-codon genetic code, Science (2025). DOI: 10.1126/science.ady4368.