Nature：成功构建出免受自然界的病毒感染的大肠杆菌菌株

在一项新的研究中，来自美国哈佛医学院等研究机构的研究人员对一种大肠杆菌菌株进行了改造，使其对自然界的病毒感染具有免疫力，同时也将这种细菌或其改造的基因逃逸到野外的可能性降到最低。这是遗传工程和合成生物学方面的一个进步，有望在利用细菌生产药物（如胰岛素）以及其他有用物质（如生物燃料）时减少病毒污染的威胁。目前，感染大量细菌的病毒可能会阻止生产，损害药物安全，并花费数百万美元。相关研究结果发表在2023年3月23日的Nature期刊上，论文标题为“A swapped genetic code prevents viral infections and gene transfer”。

论文共同通讯作者兼论文第一作者、哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所George Church实验室的遗传学研究员Akos Nyerges说，“我们相信我们开发出第一种设计出一种不能被任何已知病毒感染的有机体的技术。我们不能说它是完全抗病毒的，但到目前为止，根据广泛的实验室实验和计算分析，我们还没有发现一种可以感染它的病毒。”

他说，这项新的研究还提供了第一种内置的安全措施，防止经过基因改造的遗传物质整合到天然的细胞中。

这些作者说，他们的研究提出了一种使任何有机体对病毒免疫并防止基因流入和流出转基因生物（genetically modified organism, GMO）的通用方法。随着不同的研究团体探索安全部署转基因生物以种植作物、减少疾病传播、产生生物燃料和清除开放环境中的污染物，此类生物遏制战略越来越受到关注。

建立在以前的研究基础上

这些发现建立在基因工程师为实现一种有用的、安全的、抗病毒的细菌所做的早期努力之上。2022年，剑桥大学的一个研究团队认为他们制造出了一种对病毒免疫的大肠杆菌菌株（Science, 2022, doi:10.1126/science.add8943）。但随后Nyerges与研究员Siân Owen和研究生Eleanor Rand在论文共同作者、哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所生物医学信息学助理教授Michael Baym的实验室里合作。当他们对当地充斥着大肠杆菌的场所---包括鸡舍、老鼠窝、污水以及哈佛医学院校园街边的泥泞河---进行采样时，他们发现病毒仍然可以感染这种他们制造出的经过基因改造的细菌。Nyerges说，发现这种经过基因改造的细菌并不完全抗病毒，“这是个坏消息”。

最初的方法是对大肠杆菌进行基因重编程，使它们的所有维持生命的蛋白来自61个密码子，而不是自然产生的64个。这个想法是病毒将无法劫持这些细菌细胞，因为没有缺失的三个密码子，它们就无法复制。

图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05824-z。

然而，在这项新的研究中，这些作者发现仅仅剔除密码子是不够的。一些病毒能够绕过缺失的三个密码子，成功地感染这种基因改造的细菌。

因此，Nyerges及其同事们开发了一种方法来改变这些密码子告诉有机体要制造的东西---这是科学家们在活细胞中没有做到的。

迷失在翻译中

关键在于tRNA。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中。例如，密码子TCG告诉其匹配的tRNA要添加一种称为丝氨酸的氨基酸。

在这种情况下，剑桥大学的那个研究团队剔除了TCG和同义密码子TCA，此外还剔除了相应的tRNA。

如今，在这项新的研究中，这些作者如今添加了新的、欺骗性tRNA来代替它们：当这些tRNA看到TCG或TCA时，它们会添加亮氨酸而不是丝氨酸。Nyerges说，“从物理和化学角度来看，亮氨酸与丝氨酸的差别是比较大的。”

当入侵的病毒注入它自己的充满TCG和TCA的遗传密码并试图告诉大肠杆菌制造病毒蛋白时，这些欺骗性tRNA扰乱了病毒的指令。插入错误的氨基酸会导致错误折叠的、无功能的病毒蛋白。这意味着病毒无法复制，也就无法继续感染更多的细菌细胞。

然而，病毒也配备了自己的tRNA。这些tRNA仍然可以准确地将TCG和TCA变成丝氨酸。但Nyerges及其同事们提供的证据表明，他们引入的欺骗性tRNA非常擅长它们的工作，以至于它们压制了病毒自己的tRNA。

Nyerges说，“证实交换有机体的遗传密码是可能的，这是非常具有挑战性的，也是一项巨大的成就，而且只有在我们这样做的情况下才有效。”

这些作者说，这项新研究可能清除了使细菌对所有病毒免疫的最后一个障碍，尽管仍有可能出现能够破坏这种保护的病毒。鉴于病毒克服这种密码子交换需要同时产生几十种特定的突变，他们对此很有信心。Nyerges说，“这对自然进化来说是非常、非常不可能的。”

安全措施

这项新研究包含了两种独立的保障措施。第一种保障措施是防止水平基因转移，这是一种不断发生的现象，在这种现象中，遗传密码片段及其伴随的特征，如抗生素耐药性，会从一种有机体转移到另一种有机体。

Nyerges及其同事通过在他们的经过基因改造的大肠杆菌细胞中对基因进行替换，使得所有招募亮氨酸的密码子被替换为TCG或TCA，即在未经过基因改造的有机体中招募丝氨酸的密码子，从而缩短了这一结果。由于这些欺骗性的tRNA，它们仍然在这些地方正确地制造了亮氨酸。

但是，如果另一种有机体将任何经过改造的DNA片段纳入自己的基因组，那么该有机体的天然tRNA就会将TCG和TCA解释为丝氨酸，并最终产生不具备任何进化优势的垃圾蛋白。同样地，这些作者发现，如果大肠杆菌的一种欺骗性tRNA被转移到另一种有机体中，它将丝氨酸密码子误读为亮氨酸密码子会损害或杀死细胞，从而阻止进一步传播。

Nyerges说，“任何逃逸出去的经过修饰的tRNA都不会走远，因为它们对天然有机体是有毒的。”他说，这项新研究代表了第一种防止转基因生物的基因水平转移到自然生物中的技术。

对于第二种保障措施，这些作者将他们的经过基因改造的大肠杆菌菌株本身设计为无法在受控环境之外生存。他们利用Church实验室开发的一项现有技术（Nature, 2015, doi:10.1038/nature14121），使大肠杆菌依赖一种实验室制造的氨基酸，而这种氨基酸在野外并不存在。比如，培养这些大肠杆菌以生产胰岛素的工人会给它们喂食这种非天然的氨基酸。但是如果有任何细菌逃脱，它们就会失去获得这种氨基酸的机会而死亡。

Nyerges强调，基于此，没有人类或其他生物有被“超级细菌”感染的风险。Nyerges期待着探索密码子重编程作为一种诱导细菌生产医学上有用的合成材料的工具，否则将需要昂贵的化学方法。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Akos Nyerges et al. A swapped genetic code prevents viral infections and gene transfer. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05824-z.