科学家创造了一种更完美的生命，足以秒了99.9%的地球生物

大肠杆菌的电镜照片 图片来源：维基百科/CDC/Janice Haney Carr

撰文｜clefable

审校｜冬鸢

从40多亿前开始，地球上开始陆续出现各种促进生命演化的偶然事件。随后，一些偶然事件逐渐变成了必然事件，比如DNA成了生物的遗传物质、多细胞出现和哺乳动物演化出了更大的脑容量。这些变化构成了我们如今所见的生物世界。

然而就在数十年前，部分生物学家开始怀疑，一些生命法则，能被各种生物沿用数十亿年，或许并不是因为具有特别的优势。

生命密码并非最优

包括人类、大肠杆菌在内的所有细胞生物，以及大部分病毒，都是以A、T、C和G这4种碱基来构建基因组（DNA）。在它们的基因中，每3个碱基会依次为一组，构成一个密码子，翻译成一种氨基酸。

4种碱基能组成64种密码子，其中61种是有义密码子，但只对应了20种氨基酸，存在一些很大冗余。（剩余的3种是终止密码子，不编码氨基酸）。举例来说，编码丝氨酸的密码子有6种，而丙氨酸有4种。

在不同培养基中生长的大肠杆菌 图片来源：HansN/维基百科

1968年，诺贝尔奖得主、英国生物学家弗朗西斯·克里克率先就这种现象，提出了两种相反的猜想：一种是生物当前使用的密码子形式，比任何其他形式，都更有优势。不过，他本人更倾向于第二种猜想，那就是这在很大程度上是一种偶然。

他推测，早期突变让一些密码子可以编码某些氨基酸，构建出了更复杂的蛋白质。生物继续演化，剩余的密码子开始与氨基酸随机连接。而随着蛋白质的数量变得庞大和复杂，到某个节点时，密码子的演化也被限制或者冻结了。

因为在这个时候，密码子的任何改变都可能导致很多蛋白质出现缺陷。这就像是，虽然原始的密码子法则不是最优形式，但当它的上面长出一个巨大的上层建筑时，它也无法再变动了。

不过，在大概从10年前开始，英国剑桥医学研究委员会分子生物学实验室的Jason W.Chin等有了一个特别的想法：他们想要人为减少大肠杆菌使用的密码子，撬动这个存在数十亿年的密码子法则。

大肠杆菌的遗传物质单链中大概含有400万个碱基，如果我们将它们印在一本书上，大概有9厘米厚。在2019年发表的论文中，Chin的团队一次性替换掉了大肠杆菌的DNA中所有的TCA、TCG和TAG，获得了可以存活的大肠杆菌syn61。具体就是，用丝氨酸剩余的4个密码子替换掉TCA、TCG，并用另外两个终止密码子替换TAG。

今年7月，在一篇发表于《科学》(Science)的论文中，Chin和医学研究委员会分子生物学实验室的其他科学家更进一步，又减少了2个丝氨酸的密码子和2个丙氨酸中的密码子，得到了大肠杆菌syn57。

这是研究人员最初的设计，他们计划替换掉丝氨酸的4个密码子、丙氨酸的2个密码子以及一个终止密码子 图片来源于《科学》论文

在篇幅明显长于大部分《科学》论文的文章中，我们能详细一览他们如何一步步从设想走入现实，最终得到脆弱、但能安然存活于世的大肠杆菌syn57。

第一步：将新基因分散到38个细菌

2019年，Chin等人在合成出Syn61时，只改变了大肠杆菌基因组中大概1.8万个密码子。而这次为了合成Syn57，他们必须改变10.1万个密码子。这些密码子分布在基因组的各个区域，为了实现完整替换，他们先设计并合成了大肠杆菌新的DNA，并分成了38份，每份大概有10万个碱基。他们计划先将它们分别导入38个大肠杆菌相应的区域。

在38份平行的大肠杆菌中，替换相应的38份DNA片段 图片来源于《科学》论文

这个过程借助了一种名为uREXER的技术。这种技术能对细菌中一段较大的序列进行完整替换。在27个菌中，他们的进展都很顺利。不过意外也很快到来，在剩余的11个菌中，他们遇到了棘手的情况。

根据他们的描述，当导入的合成DNA不支持细菌生长时，这些DNA就会被删除，并被野生的DNA取代，这会导致细菌中出现合成DNA和野生DNA嵌合的情况。据统计，在11个细菌中一共有6.2万个碱基没有被完全替换。

为了完成替换，他们需要不断地与这些大肠杆菌进行 “交流”，以达成替换，并且保证细菌也能存活下来。因为一旦他们给的替换序列不合适，大肠杆菌要么会“拒接”，要么接受后无法存活。

他们发现，DNA序列替换失败和一个关键的区域——N端编码序列有关。这个序列指的是基因开头的8～10个密码子。当一个新的蛋白质合成时，它就像一个刚入职的员工，在细胞的哪里工作、后续受到的修饰以及寿命长短（是稳定存在，还是几小时内就降解），都会由这段序列决定。而想要直接修改这个区域的密码子，显然会强烈影响细菌的生存。

因此，研究人员不得不设计出了很多个N端编码序列的变体序列，并先在野生的大肠杆菌中进行测试，再将最合适的序列替换到实验的大肠杆菌中。这个操作也确实有效。

除此之外，他们还尝试了另外3种方案。其中较为简单的是，直接换另一种可用的密码子。后面的两种方案和细菌基因的编码形式有关。在大肠杆菌中，一个基因的中间序列可能是另一个基因的起点，如果直接替换密码子，就可能破坏下一个基因的表达。他们想到了两种解决方式，分别是改写序列来调整基因重叠，以及让碱基突变，修复替换带来的损伤。

针对剩下11份无法对完整替换的大肠杆菌，他们采用了4种方法：N端编码序列重构，换另一种可用的同义密码子，合理改变基因调控区域的序列，以及重构重叠的基因。图片来源于《科学》论文

最终，他们解决了剩下11个菌中的所有序列问题，对38个菌中近10万个碱基片段进行了完全替换。不过，到这里进度条才只走了一半。下一步，他们需要将38个大肠杆菌整合，得到基因组完全替换的大肠杆菌Syn57。

第二部：融合这38个细菌

在这个过程中，他们遇到的最大挑战仍然是保证大肠杆菌的存活。他们先采用了一种多步替换和组装的方法（名为GENESIS），将38个菌株中的片段整合，合并到了13个新的菌株中。

在这个过程中出现了一个很大的新麻烦，那就是细菌中替换的序列越多，它们就需要适应更多的改变，生长“负担”也会越重。很多细菌就出现了生长显著变慢的情况。然而在细菌实验中，如果没有足够量的细菌，整个实验很可能会在中途失败。

他们需要拯救那些在融合后生长变慢的菌，提高它们的繁殖速度。而这又是一次复杂的修复过程，他们需要找到影响细菌生长的关键位点，测试上述的4种方法是否能改善。如果不行，他们不得不用最后的杀手锏——将原来的密码子替换回去。

比如，他们发现片段18/19以及19/20的交界处，是两个会导致细菌生长变慢的区域。片段18和19之间，有两个基因名为nuoJ和nuoK，它们编码了呼吸链复合体I，这种蛋白质对细胞呼吸和能量生成非常重要。正常情况下，当nuoJ表达后，nuoK会接着表达。然而，研究人员在上一步重构了这个区域，不小心在两个基因中插入了20个碱基。而在这里，解决细菌生长的最好方法是删掉这段序列。

经过将38份大肠杆菌整合成13份后，他们进一步通过复杂的过程，整合这些细菌上被替换的基因片段，最终得到了syn57。图片来源于《科学》论文

在片段19和20之间，他们也鉴定出两个对细菌生长必需的基因ligA和zipA。这次他们用了此前的N端编码序列重构法等，让细菌的生长能力得到提高。随后，他们进一步将携带不同DNA片段的实验菌株整合（具体过程中如下图）。

不过，在这个过程中，他们还需要给一些状态不佳的细菌留出演化的空间，让它们通过一代代演化，恢复活力。最终，他们构建出了可以利用培养基生活的大肠杆菌syn57。

最终检测

对syn57的基因组测序后，他们发现结果十分理想。他们替换了99.9%的目标密码子，只有106个目标密码子和最初设计不一样。其中101个由他们主动修改，还有5个是由细菌自发突变。

在最初设计中，他们还计划了169个重构事件，结果显示，97%的重构事件采用的原始设计。除此之外，Syn57相对于最初的设计还包含了286个突变，其中69%是他们在实验中，故意加到了基因组中，而剩余的突变则为细菌自发形成。不过，他们也发现了一个意料之外的错误：在Syn57中共出现了20个插入/缺失，其中75%都不符合最初的计划。

外形看着与野生大肠杆菌并无差别，但确是迄今密码子最精简的生物。图片来源：W Robertson/MRC Laboratory of Molecular Biology

即便如此，Syn57仍是迄今唯一可以利用高度压缩的遗传密码子，正常生活的生命——它采用了比几乎所有生物都更为精简的密码子。但它并不是唯一，一些研究人员在线粒体和内共生细菌中发现了变异的密码子。

基于这项新发现，论文的共同作者之一Wesley E. Robertson表示，Syn57 能够在没有7个密码子的情况下存活下来，这让他更倾向于支持克里克的第二种解释。他表示说，“这些发现表明，通用的遗传密码子本身并没有什么根本性。”

在更长远的角度上，这种特别的细菌将会有一些全新用途，比如科学家会尝试让它们合成一些非规范的氨基酸，进而得到一些新的聚合物和大环化合物。

另一方面，这种细菌或将能抵抗很多病毒，如果能大量繁殖，将有希望用于药物生产。当病毒感染这些细菌，并利用细菌中的物质合成蛋白质时，很容易找不到对应的密码子，进而出现一些氨基酸无法合成的情况，病毒也会因此死亡。

最后，来看看正常大肠杆菌的高效复制吧！密恐人士切勿过久停留！！

图片来源：Aging and Death in an Organism That Reproduces by Morphologically Symmetric Division. PLoS Biol 3(2): e45.