科学家创造了第一个稳定的半合成生物

生命的遗传密码只包含四个天然基础。这些碱基配对形成两个“碱基对” - DNA阶梯的梯级 - 它们只是被重新排列以产生细菌和蝴蝶，企鹅和人。正如我们所知，四个基地构成了所有生命。到现在。斯克里普斯研究所(TSRI)的科学家宣布开发出第一个稳定的半合成生物。在2014年他们合成DNA碱基对的研究基础上，研究人员创造了一种新细菌，它使用了四种天然碱基(称为A，T，C和G)，每种生物体都拥有，但也可以成对存在两个合成碱基在其遗传密码中称为X和Y.

TSRI教授Floyd Romesberg及其同事现已表明，他们的单细胞生物可以无限期地保持合成碱基对的分裂。他们的研究成果发表于2017年1月23日，在“ 美国国家科学院院刊 ”上发表。“我们使这种半合成生物更像生命，”新研究的资深作者罗伯斯伯格说。

尽管这种生物体的应用仍然遥遥无期，研究人员表示，这项工作可用于为在药物发现中发挥重要作用的单细胞生物创造新功能等等。

建立一个独特的生物体

当Romesberg和他的同事在2014年宣布开发X和Y时，他们还表明，经过修饰的大肠杆菌可以在其遗传密码中保留这种合成碱基对。然而，这些大肠杆菌不能做的是将碱基对无限期地保留在它们的代码中。随着时间的推移，X和Y碱基对被丢弃，限制了生物体利用其DNA中附加信息的方式。

“你的基因组不仅在一天内保持稳定，”罗伯斯伯格说。“你的基因组必须在你的一生中保持稳定。如果半合成生物真的是一个有机体，它必须能够稳定地保持这些信息。”

罗伯斯伯格将这种有缺陷的生物与婴儿进行了比较。它在为现实生活做好准备之前还有一些学习要做。

在研究期间，在美国癌症协会博士研究员，美国癌症协会博士后，曾任TSRI研究生Yorke Zhang和Brian Lamb。他们一起帮助开发了单细胞生物保留人工碱基对的方法。

首先，该研究的共同第一作者Zhang和Lamb优化了一种称为核苷酸转运蛋白的工具，该工具将非天然碱基对所需的材料复制到细胞膜上。“在2014年的研究中使用了这种转运蛋白，但它使半合成生物非常恶心，”张解释道。研究人员发现了对转运蛋白的一种改变，缓解了这个问题，使生物体更容易生长和分裂，同时保持X和Y.

接下来，研究人员优化了他们之前的Y版本。新的Y是一种化学上不同的分子，可以通过DNA复制过程中合成DNA分子的酶更好地识别。这使细胞更容易复制合成碱基对。

CRISPR-Cas9的新用途

最后，研究人员使用CRISPR-Cas9为生物体建立了一个“拼写检查”系统，这是人类基因组编辑实验中越来越受欢迎的工具。但研究人员不是编辑基因组，而是利用CRISPR-Cas9在细菌中的原始作用。

CRISPR-Cas9(DNA片段和酶)中的遗传工具起源于细菌，是一种免疫反应。当一种细菌遇到威胁时，就像病毒一样，它需要入侵者基因组的片段并将它们粘贴到自己的基因组中 - 就像发布“通缉”海报一样，它会再次看到入侵者。之后，如果入侵者返回，它可以使用那些粘贴的基因指导酶攻击。

知道了这一点，研究人员设计了他们的生物体，看到了没有X和Y作为外来入侵者的基因序列。丢弃X和Y的细胞将被标记为破坏，科学家们留下了可以抓住新基地的生物体。这就像有机体对非天然碱基对损失免疫。

“我们能够从根本上解决这个问题，”Lamb现在担任Vertex Pharmaceuticals的研究科学家。

因此，他们的半合成生物能够在分裂60次后将X和Y保持在其基因组中，从而使研究人员相信它可以无限期地保持在碱基对上。

罗兹斯伯格说：“我们现在可以获得生命之光。” “这表明所有生命过程都可能受到操纵。”

未来研究的基础

Romesberg强调，这项工作仅限于单细胞，并不适用于更复杂的生物体。他补充说，这个半合成生物的实际应用在这一点上是“零”。到目前为止，科学家们只能让有机体存储遗传信息。

接下来，研究人员计划研究如何将他们的新遗传密码转录成RNA，这是将DNA转化为蛋白质所需的细胞中的分子。“这项研究为我们今后的工作奠定了基础，”张说。