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科学家设计了一种翻译器,允许不同类型的细菌相互交谈。来自伦敦帝国理工学院的科学家们的调查结果显示,通常不会生活在一起的细菌

来自美国陆军研究实验室和麻省理工学院的科学家团队开发并展示了一种开创性的合成生物学工具,可将DNA编程提供给广泛的细菌。

英国《自然》杂志7日公布的一项合成生物学研究显示,科学家首次将人工合成碱基对插入大肠杆菌的DNA中,且并未影响其生长和复制过程。这一成果向利用合成技术“订制”特定生物组织迈进一步。

  • 例如通常生活在皮肤上的细菌和生活在海洋中的细菌 - 可以进行交流。

这项研究最近发表在自然微生物学杂志上,并作为2018年9月刊的封面。

    遗传物质DNA由两条很长的糖链结构形成骨架,通过碱基对的结合形成稳定的螺旋结构。自然界的生命多姿多彩,最基本的碱基对却只有两种:腺嘌呤-胸腺嘧啶。但美国研究人员构建出一种自然界不存在的生物体,它稳定包含一种代号为“X-Y”的人工碱基对。

这项发表在Nature Communications上的研究可以为设计新的细菌系统铺平道路,以帮助许多过程,例如生产绿色能源。

该研究在很大程度上得到了国防部长办公室通过实验室大学合作计划(LUCI)的支持,该计划通过与全国一流科学家的合作与协作,提供早期访问和加速国防部实验室创新。

    美国斯克里普斯研究所等机构研究人员介绍说,将人工合成碱基对植入活体生物细胞需要克服诸多困难,比如人工碱基对需要与天然碱基对融合以保持DNA结构稳定。此外,DNA在自我复制及转录为RNA的过程中,人工碱基对必须能在拉链样结构的DNA链中成功地“分分合合”,还要避免被DNA修复机制当作“外来者”而清除掉。

来自生物工程系的联合主要作者Guy-Bart Stan博士说:在自然界中,细菌愉快地与他们知道和认识的其他细菌进行沟通和合作

ARL的研究人员表示,他们认识到合成生物学领域的高成熟率要求与更广泛的社区建立紧密联系,以利用进步并在进展过程中影响该领域。

    在最新研究中,研究人员合成了一段包含天然碱基对和人工碱基对的DNA,将其插入大肠杆菌细胞中。研究的突破之一是发现了一种特殊的转运分子,这种由一种微藻生成的三磷酸转运蛋白,能够运输人造碱基对进入细胞。结果显示,DNA能以适当的速度和准确度进行复制,被改造的大肠杆菌细胞仍继续生长,人工碱基对也没有被去除。

  • 例如酿造有时只能通过不同的细菌和酵母一起工作。

在这种情况下,加速就是陆军能够对未经处理的微生物进行基因工程改造,这些微生物要么在严峻的环境中茁壮成长,要么在许多情况下获得当前技术无法实现的高价值特种材料。

    研究负责人、斯克里普斯研究所的罗姆斯伯格介绍说,虽然此次研究中的人工碱基对还不能参与制造新型蛋白质,但从理论上说,引入X-Y碱基对可将构成蛋白质的氨基酸提升到172种,而目前生物体内的蛋白质是由20种基本氨基酸构成的。

来自生命科学部的联合主要作者Karen Polizzi博士补充道:然而细菌只与他们习惯使用的其他细菌谈论。如果你采取的是不会在自然界中相互作用的细菌

那就创建了人工设计特别复杂的系统的可能性,例如人工碱基对供给予自然碱基对融合以维持DNA构造稳固性。目前合成生物学的大部分工作都使用了少量驯化的微生物,包括大肠杆菌或酵母,ARL生物技术分部的Bryn Adams博士说。解开对未经驯化的微生物的遗传获取已成为军事采用合成生物产品的主要障碍。

    研究人员还强调说,公众不必担心这种自然界不存在的大肠杆菌逃出实验室及其可能造成的危害,因为人工合成碱基对在实验室外无法复制,它们进入细胞必须借助特殊的转运蛋白。

  • 例如那些从土壤和海洋来的,他们不沟通,因为他们根本不说同一种语言。

Adams进一步解释说,需要广泛适用的合成生物学工具,其允许获得广泛的微生物,包括基因工程中将DNA转移到细胞中的最基本步骤。

    合成生物学近年来的一大研究焦点就是通过化学手段合成人工碱基对,在其中加入特定的遗传信息,希望最终能制造出具有特定功能的蛋白质乃至生物组织,用于生物医疗等领域。

她继续说道:但是通过开发一个新的翻译系统,我们已经证明我们可以有效地让不同的细菌群落相互交流。这就创造了人工设计非常复杂的系统的可能性,多个细菌协调他们的行动来执行复杂的任务我们可以利用它来生产从生物燃料到复合生物材料的所有产品。

该团队解决这一问题的新方法是使用一种名为XPORT的工程枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)细菌,以高度精确和可控的方式将DNA传递给各种细菌。

北京时间1月25日消息,据国外媒体报道,美国加州斯克利普斯研究所(ScrippsResearchInstitute)的研究人员近日用一段延伸的遗传密码创造了一种“全新”的生命形式。科学家向大肠杆菌中引入了一些该细菌中本不存在的DNA分子。虽然修改后的大肠杆菌遗传密码中多了两个片段,但仍能像正常细菌一样生长和复制,这为科学家创造全新的人造生命奠定了一定基础。

打开沟通渠道

XPORT细菌促进了35种不同细菌的新编程功能的多次演示,包括荧光蛋白报告,其中一些从未被发现,更不用说,因为它们最近才从实验室的土壤湿度传感器中分离出来。

研究人员称这些经过修改的微生物为科学家提供了”创造拥有全新特征属性的微生物“的契机。未来科学家可能会着手研发能够生产新型蛋白质的微生物,这或许能帮助我们发明新药物,并取得纳米技术的重大突破。

该研究结果有助于合成生物学领域,其涉及设计新的生物系统以推进医学,生物能源,食品生产或制造。迄今为止合成生物学的进步包括更廉价的抗疟疾药物生产,新的生物燃料,甚至是微生物生产的蜘蛛丝。

麻省理工学院教授和相应的作者克里斯托弗沃伊特博士在讨论每种环境中细菌的普遍存在和首次接触这些微生物时说:每个士兵,车辆和武器系统都涂有活细菌。我们期待着了解这些细菌如何根据剧院的变化而变化,现在能够控制它们以获得持续的最佳表现。

研究人员其实在2014年就培育出了这些微生物,但它们只存活了一段很短的时间。如今该团队终于找到了使它们保持活力的方法,并且在复制时,它们的合成DNA还能遗传给下一代。

新发现的核心是细菌通常用于通信的系统,称为群体感应。这涉及细菌通过释放和检测小分子相互说话。该系统允许细菌分享有关其环境和人口规模的信息。

这项研究是第一个国防部服务实验室合成生物学计划的前奏,该计划被称为生活材料,将于2018年10月正式启动。

斯克利普斯研究中心的首席科学家罗梅斯伯格博士指出:“你的基因组不仅要在一天之内保持稳定不变,在你的一生中都必须如此。如果人工合成的生物要成为真正的生物,就必须使遗传信息保持稳定不变。”他们还对细菌进行了编辑,清除了所有不含合成DNA的细菌DNA。

生物工程系的博士后和研究作者Nicholas Kylilis博士补充说:合成细菌群落可用于以并行方式进行复杂的生物计算并协调复杂的任务。这有助于他们与邻居合作协调任务,增长,分享食物。

该计划的长期愿景是为在陆军相关环境中运行的材料赋予生命,反应和响应功能,从而产生破坏性能力,例如可调谐组装材料,自我修复和适应高级保护和变革性物流。

不过,有些人对“合成生物学”的快速进步表示担心,认为新型生物可能会从实验室中逃逸、造成无法预料的后果。天然的DNA由四个“字母”组成,分别为A、和T。而DNA的“近亲”RNA中还包含另一个“字母”,即U。A、C、G、T两两构成“碱基对”,不同的排列顺序决定了不同的生命形式。

然而,细菌只与他们所知的微生物一起使用。在最新的研究中,该团队重新设计了土壤,海洋,池塘水和皮肤中发现的各种细菌物种的群体感应系统,在细菌之间建立了六个新的沟通渠道。

ARL生物材料项目负责人和手稿合着者Dimitra Stratis-Cullum博士解释说:合成生物学的下一个前沿将带来前所未有的高性能和智能材料的进步,但需要从生产中转移最先进的技术分子对材料以及从实验室到现场都是必不可少的。这就要求陆军推动军用相关底盘工具的进步,并弥合高性能军用材料结构功能关系的差距。

“虽然地球上的生命多种多样,但都由两种碱基对构成:A-T与C-G。而我们培育的微生物中还含有第三种、自然界中不存在的碱基对。”罗梅斯伯格博士说道。这一新型碱基对由X和Y构成,不存在于自然界中,因此含有该碱基对的细菌是一种全新的生命形式。

鼓励团队合作

科学家表示,这项研究在国防部之外也有重大影响。

罗梅斯伯格博士表示:“这说明还存在其它储存遗传信息的方式,也意味着延伸DNA生物学具有很大的潜力,能帮助我们研发新药物、或是新型纳米技术。”此次研究向活细胞中加入了一种全新的碱基对,而这一过程在进化史中经历了十亿年之久。

来自帝国理工学院合成生物学中心的科学家们还开发了一种计算机工具,帮助科学家们选择最佳的通讯渠道,用于细菌系统。

在论文中,我们通过设计从人类皮肤,人类粪便和农业土壤中分离的细菌来证明XPORT的灵活性,主要作者Jennifer Brophy博士说。来自这些环境的微生物是益生菌的良好候选物,其被设计用于增强人类健康或农业。

2008年,罗梅斯伯格博士带领的研究人员团队成功在试管中复制出了一种自然界中不存在的碱基对。他们还将这一“半合成”的DNA转录成了RNA,向创造新型蛋白质迈出了第一步。但活细胞内部环境十分复杂,实施同样的步骤面临着巨大的挑战。

博士生和生物工程系的作者Zoltan Tuza博士解释说:计算机算法可以帮助您从一开始就选择正确的沟通渠道,而不是花费大量时间来找出哪些细菌相互理解。

陆军科学家认为,现在陆军必须采取行动,以对抗将在未来的作战环境中利用这些进步来应对下一代威胁的对手。

为解决这一问题,科学家先是将人造碱基对分子d5SICS加入到细胞外的一种溶剂中。接着,该研究的共同作者约克·张和布莱恩·莱姆研发了一种名为核苷酸转运剂(nucleotidetransporter)的工具,将它们送到细菌细胞内部。

研究人员现在将专注于鼓励不同类型的细菌有效地协同工作以完成任务。

“这是一次巨大的突破,对我们起到了极大帮助。”共同作者丹尼斯·马里谢夫博士表示。研究人员在2014年使用的核苷酸转运剂对细菌造成了破坏,但他们通过修改解决了这一问题。

斯坦博士说:我们已经设法让他们互相交谈 - 下一步是鼓励他们相互有效地合作。

他们对人工合成的Y碱基进行了改良,对它的化学组成做了一些修改,使细胞更易于复制碱基对。科学家还合成了一些名叫质粒的环状DNA,将它们嵌入大肠杆菌基因组中。其中含有天然的A-T与C-G碱基对,还有人工合成的d5SICS-dNaM碱基对。

虽然这些质粒不属于细菌本身的染色体DNA,但它们也参与了细胞的复制过程。令研究团队惊讶的是,这些半合成的质粒并未对大肠杆菌的生长造成严重影响,也没有在复制过程中丢失。

接下来,科学家希望证明细胞中人工合成的DNA也能转录成RNA分子,并参与细胞中的蛋白质合成过程。“从理论上来说,我们可以用自然界中不存在的新型氨基酸合成新型蛋白质,这能帮助我们更好地将蛋白质用于治疗和诊断中,还能制成拥有特定功能的实验室试剂。在纳米材料等领域,它或许也能一展身手。”

针对此次研究结果,德州大学的罗斯·泰尔和杰瑞德·埃尔夫森评论道:“如果该技术……也能用于其它碱基对,那么DNA碱基对将远远不止三种。”

“这也让我们深思,为何自然界的生命仅由两种碱基对组成?半合成微生物既然能储存更多遗传信息,是否能拥有更多的功能、或忍受更严酷的环境?”

“科学家试图扩展遗传密码子,对DNA的天然特性勇敢地发起了挑战。而他们试图修改DNA的做法也可能会招致人们的批评。”