遗传学大牛Nature发表突破性成果：给转基因上保险

尽管转基因生物的风险有被夸大之嫌，但转基因逃逸的确可能扰乱生态系统。光靠物理防范显然是不够的，因为实验室器具和工业设备可能破裂，工作人员也可能无意中把被污染的衣物带回家。而且有些转基因生物就是在开放环境下使用的。因此，科学家们致力于打造牢靠的生物防线。著名遗传学家George Church教授就在这方面取得了突破性的成果。

　　

生物通报道：转基因生物和人造生物总是让人欢喜让人忧。现在，科学家们已经在用这些生物生产胰岛素等药物成分、开发生物能源、研究人类疾病和改善传统农业。尽管转基因生物的风险有被夸大之嫌，但转基因逃逸的确可能扰乱自然的生态系统。

光靠物理防范显然是不够的，因为实验室器具和工业设备可能破裂，工作人员也可能无意中把被污染的衣物带回家。而且有些转基因生物就是在开放环境下使用的，比如旨在阻断疟疾的转基因蚊子。因此，科学家们一直在努力打造牢靠的生物防范措施。著名遗传学家George Church教授就在这方面取得了突破性的成果。

2013年George Church领导哈佛医学院的研究团队重新编码了大肠杆菌的基因组。这是世界上首个基因组被重新编码的生物，而这种生物需要受到严格的控制。（相关报道：Science重要成果：重写全基因组）

现在Church的研究团队解决了这个问题，他们进一步改造了这个E. coli菌株，将一种人工合成的氨基酸整合到基因组的多个位点。缺乏这种氨基酸，细菌就不能将RNA翻译成正确折叠的蛋白。这种人造氨基酸不存在于自然界中，E. coli本身也无法合成它，只能从特殊的人工培养基中获得。这一成果发表在一月二十一日的Nature杂志上。

Nature杂志同时还发表了另一个团队的研究成果，他们通过另一种方法使E. coli菌株依赖于人造氨基酸。这个团队的领导者是与Church长期合作的耶鲁大学的Farren Isaacs。这两项研究首次将人造营养物质作为生物防护手段，这样的策略可以确保转基因生物在开放环境下的安全性。

“就基因组功能而言，这是迄今为止人们对基因组做出的最大改动，”Church说。

Church的研究团队还让这种E. coli抵抗了两种病毒，并准备进一步扩宽它的抵抗范围。这种设计能让E. coli更加安全，因为病毒感染不仅会造成很大的经济损失，还可能引起生态问题。

利用人造氨基酸

目前人们主要有两种控制转基因的方法，不过这两种方法都存在缺陷。一种方法是将原本能够自给自足的生物（比如E. coli）变为营养缺陷型，需要额外补充营养物质才能生存。但这种方法并不总是那么有效，因为有些E. coli可能会通过环境获得自己缺乏的东西。于是Church想到让E. coli依赖于自然界中不存在的营养物质。

营养缺陷型策略还有一个问题是，有些E. coli可能会通过进化或者水平基因转移，重新获得合成这种物质的能力。为此，Church等人对E. coli基因组做出了49处改变。某个细菌随机抵消所有这些改变，同时不获得有害突变，这种可能性是相当低的。

另一种转基因防护策略是通过“扼杀开关”让细菌对某种毒素特别敏感，这样就能快速杀死转基因生物。然而，这样的开关是很容易被关掉的，Church说。人造氨基酸的控制比这种策略要严格得多。

Church指出，控制转基因的关键在于确保E. coli的生存绝对依赖于人造氨基酸，否则逃逸的E. coli总会想办法活下来。因此，他的团队把驱动细胞基础功能的蛋白作为靶标。

锁住转基因

既要选择E. coli生存的必须程序，又要使用自然界中不存在的营养物质，“我们能用的基因是很有限的，”Church说。最终，研究人员通过计算工具设计出了这样的体系，并在E. coli中进行了测试。

研究人员重新设计了三个基本蛋白，获得了两个依赖性的E. coli菌株。“同时使用三个蛋白威力更强，”Church说。他预计，未来用更多人造氨基酸改造E. coli，可以完全抹杀转基因逃逸的可能性。

目前这种E. coli的逃逸率（不依赖人造氨基酸存活）“低到无法检出，”Church说。研究人员总共培养了一万亿E. coli细胞，两周之后这些生物无一逃逸。“这比NIH推荐的转基因生物逃逸率好一万倍，”Church说。

Church的这种方法是否存在缺陷，还有待于时间的检验。就目前而言，他对自己团队的结果很满意。

作者简介：

著名遗传学George M. Church是哈佛医学院的遗传学教授、Wyss研究所的核心成员。他被誉为是个人基因组学和合成生物学的先锋。1984年，Church和Walter Gilbert发表了首个直接基因组测序方法，该文章中的一些策略现在仍应用在二代测序技术中。此外，如今的多重化分子技术和条码式标签也是他发明的。Church还是纳米孔测序技术的发明者之一。

 

生物通编辑：叶予

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