哈佛醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)家喬治·丘奇實(shí)驗(yàn)室的研究人員在他們正在進(jìn)行的安全和精確擴(kuò)展遺傳生活規(guī)范的努力中取得了兩項(xiàng)新進(jìn)展。

研究結(jié)果使研究人員更加接近開發(fā)新的疾病治療方法，生產(chǎn)更便宜的藥物和生物燃料，確保轉(zhuǎn)基因生物無法在精心控制的環(huán)境中生存，甚至更多。

2月13日在PNAS上發(fā)表的一項(xiàng)研究揭示了細(xì)菌發(fā)展的一些策略，以對抗遺傳修飾的副作用。

另一篇，1月份在PNAS上發(fā)表，推出了一種改進(jìn)的校對工具，該工具標(biāo)記了不正確的氨基酸取代。

Aditya Kunjapur是教會(huì)實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員，也是兩篇論文的作者，他們與哈佛醫(yī)學(xué)新聞坐下來討論這些成就的承諾和挑戰(zhàn)。

HMS：您如何以及為何修改細(xì)菌基因組?

KUNJAPUR：我們正在努力擴(kuò)大蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和功能。蛋白質(zhì)為我們做了很多令人興奮的事情;它們控制著細(xì)胞可以做的大部分。它們通常由20種標(biāo)準(zhǔn)氨基酸組成。有了這20個(gè)，你就會(huì)得到你在生活中看到的所有變化，這是相當(dāng)驚人的。與此同時(shí)，你仍然有限。當(dāng)你將非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸添加到蛋白質(zhì)中時(shí)，你可以做自然無法做到的事情。

HMS：您和其他人正在努力實(shí)現(xiàn)哪些實(shí)際應(yīng)用?

KUNJAPUR：一個(gè)是生物控制 - 控制真實(shí)世界環(huán)境中轉(zhuǎn)基因生物的增殖。例如，幾年前，我們的實(shí)驗(yàn)室使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造了一種依賴非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸進(jìn)行生長的實(shí)驗(yàn)性大腸桿菌。我們?nèi)栽诟倪M(jìn)這個(gè)過程。將非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸納入宿主基因組或預(yù)測這些氨基酸可以做什么的任何改進(jìn)都使我們更接近實(shí)現(xiàn)工業(yè)用途或其他目的的生物防護(hù)。

生物防護(hù)現(xiàn)在很重要，部分原因是人們最近表明，例如，你可以在酵母中使用工程代謝途徑制造阿片類藥物。如果你可以修改生物來制造非法藥物或危險(xiǎn)技術(shù)，那么控制它們至關(guān)重要。

在經(jīng)濟(jì)的另一方面，在醫(yī)療保健方面，越來越多的蛋白質(zhì)作為藥物。這種生物制劑的趨勢，包括一種叫做抗體藥物結(jié)合物的新興類。非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸可以幫助您更有效地生產(chǎn)這些療法。

HMS：讓我們來談?wù)勀愕男〗M開發(fā)的蛋白質(zhì)校對員。為什么研究人員需要它?

KUNJAPUR：問題是當(dāng)我們想要將非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸添加到蛋白質(zhì)中時(shí)，我們可能會(huì)在某些位置意外地放入標(biāo)準(zhǔn)氨基酸。如何確定現(xiàn)在發(fā)生的事情在時(shí)間和金錢方面都很麻煩。有了這個(gè)新工具，我們可以更清楚地了解正在發(fā)生的事情。

HMS：它是如何工作的?

KUNJAPUR：我們從蛋白質(zhì)降解中借用了成分，并將其設(shè)計(jì)為更好地區(qū)分非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸與其要替代的標(biāo)準(zhǔn)氨基酸，或者如果您試圖合并多個(gè)氨基酸，則將其與一種非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸區(qū)分開來。

這種對正確和錯(cuò)誤的新的高通量測量使我們在開發(fā)更準(zhǔn)確和特異的非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸摻入系統(tǒng)方面取得了巨大進(jìn)步。

HMS：在新的研究中，您的小組發(fā)現(xiàn)了在改變基因組后使細(xì)菌更健康的方法。告訴我更多相關(guān)信息。

KUNJAPUR：2013年，教會(huì)實(shí)驗(yàn)室制造了一種大腸桿菌菌株，其中所有標(biāo)準(zhǔn)UAG氨基酸代碼均被非標(biāo)準(zhǔn)UAA取代。我們當(dāng)時(shí)注意到，除了那些所需的321個(gè)變化之外，還有大約350個(gè)偶然發(fā)生的突變。我們的實(shí)驗(yàn)室和其他人很快意識(shí)到這些變化中的一部分使細(xì)菌生病了。他們的成長非常緩慢。他們在工業(yè)條件下特別努力，因?yàn)樗膬r(jià)格昂貴，因此它們的營養(yǎng)成分很低。

沒有人廣泛關(guān)注所有這些變化以及細(xì)菌健康狀況不佳的特點(diǎn)，特別是采取我們所做的方法：如果你想讓生物體更快地生長并適應(yīng)有限的營養(yǎng)環(huán)境，你可以簡單地讓進(jìn)化取下韁繩。

HMS：難以采取不干涉的做法嗎?

KUNJAPUR：作為一名工程師，我傾向于進(jìn)行干預(yù)，但有時(shí)會(huì)產(chǎn)生意想不到的后果。我們認(rèn)為，工程與進(jìn)化的結(jié)合是一種優(yōu)雅的策略，可以找出問題所在。

HMS：那揭示了什么?

KUNJAPUR：我們發(fā)現(xiàn)預(yù)期的變化和脫靶突變都會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌的健康狀況不佳。

例如，許多大腸桿菌的基因現(xiàn)在以非標(biāo)準(zhǔn)的UAA結(jié)束，我們看到制造蛋白質(zhì)的機(jī)器，即核糖體，被卡在上面。因此細(xì)菌不能制造那些蛋白質(zhì)。這是一個(gè)問題，因?yàn)楫?dāng)生物體處于低營養(yǎng)環(huán)境時(shí)，它們需要通過盡可能多地表達(dá)基因而變得更加自立。

至于補(bǔ)償我們不想要的突變的策略，我們看到一個(gè)非常好奇的因?yàn)榧?xì)菌在一個(gè)必需基因面前進(jìn)化出一個(gè)“停止”標(biāo)志?？雌饋硭麄兿氚阉P(guān)掉，這對我們沒有任何意義。但后來我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們最初設(shè)計(jì)這種菌株時(shí)，脫靶突變導(dǎo)致該基因過高。適應(yīng)性使其踩剎車10,000倍，使其恢復(fù)到正常水平。這很酷。

我們正在從這個(gè)實(shí)驗(yàn)中學(xué)到很多教訓(xùn)?，F(xiàn)在，那些試圖加入非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸的人可以采取我們改進(jìn)的菌株，或者根據(jù)他們的目的，對我們自己的細(xì)菌做出最重要的改變。

HMS：我要問侏羅紀(jì)公園的問題。你聽說，“我們設(shè)計(jì)大腸桿菌含有這些非標(biāo)準(zhǔn)的氨基酸，然后我們進(jìn)化了它們，并且它們自己做了改變。”他們是否會(huì)改變你希望他們擁有的變化?你怎么處理那件事呢?

KUNJAPUR：我認(rèn)為這是一個(gè)有效的問題。這取決于你的目的是什么，但如果你想做一些需要生物防護(hù)的事情，那么你確實(shí)想問這個(gè)問題，“生活找到了辦法嗎?”當(dāng)你談?wù)撋锇甑倪M(jìn)化時(shí)，你希望它變得更健康，但你不想讓它弄清楚如何繞過生物防護(hù)。

在我們的校對論文中，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們做出了非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸酸結(jié)合更準(zhǔn)確，它提高了生物控制。但我們的新論文幾乎暗示大自然可以扭轉(zhuǎn)我們的變化。從進(jìn)化項(xiàng)目中可以放心的是，開始時(shí)沒有UAG的應(yīng)變最終仍然沒有UAG。該細(xì)菌沒有“撤銷”其遺傳改變;它想出了如何更好地處理它們。非常好。那是我們想要的。

但我們并沒有就此止步。我們正在進(jìn)行一項(xiàng)研究，試圖量化生物攜帶生物中的逃逸率，我們以比正常更快的速度進(jìn)化。

我認(rèn)為所有這些研究都告訴我們更多關(guān)于如何設(shè)計(jì)一種從一開始就更好生物包裹的菌株。也許答案是我們通過合并四個(gè)或五個(gè)依賴于非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸而不是兩個(gè)或三個(gè)氨基酸的基因來防止進(jìn)化逃逸的微小可能性。

HMS：您對下一個(gè)期待什么?

KUNJAPUR：我很高興看到教會(huì)實(shí)驗(yàn)室研究的這種大腸桿菌菌株有多達(dá)七種氨基酸改變。我們對如何做這樣的事情的理解是如此年輕，以至于有一個(gè)新的研究機(jī)會(huì)。