细胞工程：如何解构基因

DNA合成和编辑技术的进步降低了成本，带来了更高的准确性，帮助生物学家从头开始或重新设计微生物基因组。

扫描电子显微镜下的人类染色体。来源:科学图片库

在典型的实验室条件下，大肠杆菌菌株JF1看起来彼此没有区别——它在琥珀色琼脂平板上显示为少量黄色菌落。然而，如果将菌落置于红色、绿色或蓝色光带中，它们的细胞会将培养皿中的化学物质转化为色素。这种图案与他们接触的光线的颜色相匹配，会产生柔和模糊的图像，让人想起20世纪70年代的宝丽来胶片。

美国麻省理工学院的克里斯托弗·沃格特创造了一个复杂的基因回路来驱动这种变化。今年5月，他的实验室报告称，他们已经使用该系统重建了荷兰艺术家埃舍尔构想的蜥蜴的彩色几何图形。他说，这项研究只是因为它的兴趣，这是一种展示最先进的合成生物学的方式。但这并不容易:这个回路包含18个基因和32个常规元件，涵盖4个称为“质粒”的小回路DNA分子和46，198个DNA碱基对。它将分别响应红光、绿光和蓝光。"如果你把它们加在一起，这将是一个非常复杂的项目."沃格特说。

这不是唯一的例子。合成生物学充满了相似甚至更复杂的项目。DNA合成和编辑技术的进步降低了成本，带来了更高的准确性，帮助生物学家从零开始或重新设计微生物基因组，如大肠杆菌和啤酒酵母。现在，合成生物学家正在认真讨论重新设计包括人类在内的更复杂生物的基因组，尽管仍有许多障碍和挑战。

编辑障碍

如果一切顺利，一个大基因可以在两周内被整合和验证。健康测试和“调整”需要“比实际施工时间更长的时间”纽约大学朗格内医学中心的杰夫·博克说。

他说，到目前为止，每个完整的染色体只显示出几个明显的“缺陷”。它们中的一些来自基因组注释错误，而另一些是由密码子替换引起的，例如改变二级核糖核酸的结构。

在大多数情况下，酵母在冲压下滚动。但是这个突如其来的小故障显示了一个更大的编辑项目——基因组写作项目(GP-write)所面临的挑战，该项目旨在重写更复杂的真核细胞的基因组。

除了大规模(30亿个碱基对)水平上的明显问题之外，人类基因组的大小比酿酒酵母大两个数量级，更复杂生命的基因组注释水平更低。还有其他挑战。国际合成基因组酵母计划(Sc2.0)和其他基因组重写计划倾向于避开基因调控区，但在更复杂的生物中，如真核生物，这些基因通常远离它们影响的基因，它们的图谱可能还没有完全绘制。因此，研究人员可能不知道重写哪些片段，不改变哪些片段。此外，还不清楚这种大规模的基因组变化将如何影响核染色的结构并进一步影响基因表达。

实际上，染色体大小的DNA分子如果不断裂，就很难操作。目前，还没有有效的方法将它们转移到大多数真核细胞。即使科学家能够转移DNA，他们可能会发现很难将它整合到基因组中，因为大多数相似的基因不能像酵母一样同源重组，而且它们缓慢的生长会延迟每个实验步骤。

此外，还需要考虑合成脱氧核糖核酸的成本。由哈佛大学智慧生物工程研究所的生物化学家帕米拉·西尔弗领导的研究小组获得了美国国防高级研究项目署的资助，用于在鼠伤寒沙门氏菌领域的研究工作，这使得该小组能够就更优惠的DNA合成价格进行谈判。然而，她表示，如果按每对碱基0.10美元计算，她的项目将耗资100多万美元。相比之下，人类基因组将花费数百倍。

然而，哈佛医学院遗传学家乔治·丘奇说，技术赶上人们的雄心只是时间问题。“我认为随着时间的发展，构建大规模基因组将变得越来越容易。”

精确编译

到目前为止，基因组的重新编辑必须在很大程度上遵循自然的“秘方”。但最终，生物学家希望能够赋予它一些新的功能。

几个新项目，包括对大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌的研究，都集中在基因组重新编码上，从基因组中去除的密码子可以*地用于其他目的。英国剑桥MRC分子生物学实验室的合成生物学家贾森·陈在操纵基因遗传方面做了大量工作。他说，这种重新编码可以促进蛋白质编辑，更不用说从单体而不是标准氨基酸设计、测试和合成新的化学聚合物了。其他潜在的应用包括生物抑制(防止生物在实验室外释放)和基因分离(保护身体免受病毒感染)。

对许多专家来说，现有技术提供了编辑基因所需的所有能力。总部位于马萨诸塞州剑桥市的基因工程公司正在使用基因编辑工具CRISPR将猪转化为可移植的器官来源。该公司的联合创始人杨鲁汉解释说，这个想法是用CRISPR来减少猪的基因组，从而去除可能引发人类免疫反应的序列编码蛋白。这种新的基因编码蛋白质有助于使猪的器官满足人类的需求。"我们认为几十个基因编辑可能就足够了."她说。

然而，事实上，这些基因组编辑研究中没有一个建立了染色体大小持续延伸的DNA分子。大多数商业DNA合成供应商依赖于已经使用了几十年的合成生物学方法，它们不再适合制造长度超过200个核苷酸的分子。像大多数追求基因组合成的团队一样，丘奇的团队按等级组装了DNA。它购买了预算中的2000-4000个碱基长的基因片段，通过同源重组将其在酵母中组装成50个碱基长的模块，然后将这些完整的片段转移到大肠杆菌中。该小组随后删除了大肠杆菌基因组的相应区域，并测试了所得菌株的健康状况。

奥斯特罗夫说，重新编码的过程非常顺利，尽管有一些小问题。"这些基因组有特殊的信息."Chin说它可以在实验中解码。

巡回城市

其他研究人员正在开发基因回路来赋予基因组新的功能。

一般来说，这些电路，例如Voigt的图像捕获细菌菌株，是通过更简单的设计积累起来的，使用称为转录因子的蛋白质作为正或负的输入和输出信号。马萨诸塞州波士顿大学的生物医学工程师威尔逊·王(Wilson Wong)利用插入或删除DNA片段的重组酶设计了这种芯片——这种设计策略被称为BLADE(通过DNA切除进行布尔逻辑和算术运算)。

Wong说BLADE可以让研究人员避免将电路相互连接的困难，这需要一个电路的输出强度与下一个电路的预期输出强度相匹配。

在一次演示中，Wong和他的团队创建了一个布尔逻辑清单——一个大约10千碱基长的基因电路，根据6个重组酶的存在与否，它可以被转换成任何16个潜在逻辑门中的一个。

王的团队只用一支铅笔和一张纸设计了这条电路。但是最终，合成生物学家希望能够使用硅来构建他们自己的设计。沃格特与波士顿大学电子工程师道格拉斯·丹斯摩尔合作，开发了一种叫做大提琴的工具，使这成为可能。研究人员已经用一种叫做Verilog的编程语言实现了基因电路设计。大提琴制造使它们工作的DNA序列。

沃格特说，尽管它们看起来有点简单，但微生物基因组显示出难以置信的精细基因控制潜力。"我们几乎被自然界中存在的事物取笑。"然而，他说，通过结合基因编辑技术、基因组分析和精心设计的工具，研究人员正在逐渐重新平衡他们的比例。(晋南编)

《中国科学报》(2017-08-24，第三版国际版)