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Nature上的全合成文章,连个合成路线都没有-文章合为

作者:古风网
日期:2020-06-30 10:47:46
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本文来自微信公众号:X-MOLNews

想必大家已经看到我们的配图了,Nature 上的“Total Synthesis of ……”大伙是不是跟本君一样看到Nature 这个级别杂志上的全合成就好奇心大起?好吧,本君承认又双叒叕用了一回“标题党”,不过这次事出有因,因为这篇Nature 论文的标题本就颇有“标题党”的风格。以往看到“Total Synthesis of”开头的论文标题,后面大多跟着某个天然产物,而这次英国MRC分子生物学实验室Jason W. Chin等研究者全合成的可不再是复杂结构的化合物,他们合成了有生命的活物——大肠杆菌


Nature上的全合成文章,连个合成路线都没有


Jason W. Chin博士。图片来源:MRC Laboratory of Molecular Biology

稍微有些生物学基础的同学应该都知道,生物体内由氨基酸合成蛋白质的过程中,需要信使RNA(mRNA)来决定蛋白质中氨基酸的种类和排列顺序。而在mRNA上,三个核苷酸(碱基)决定一个氨基酸,这三个核苷酸被称作“密码子”。从理论上分析,RNA中的核苷酸有四种(即U、C、A、G四种碱基),那么密码子的组合就有64(43)种。这64种密码子,不但决定20种氨基酸,还决定蛋白质合成的开始(起始密码子)和结束(终止密码子)。此外,还有不少氨基酸对应至少两个密码子,这称之为密码子的“简并性”,可以在一定程度上起到容错的功能,而编码同一个氨基酸的密码子也称“同义密码子”。大家都知道,mRNA由DNA翻译而来,所以DNA中也存在与mRNA对应的密码子,只不过需要根据A-T(U)/C-G的对应关系来转换一下。


Nature上的全合成文章,连个合成路线都没有


RNA密码子表。图片来自网络

如此复杂而又高效的密码子系统无疑是地球生命漫长进化过程的杰作。Jason W. Chin团队的工作则是挑战一下“进化的力量”。这项工作的关键说起来很轻松,他们将大肠杆菌DNA中的丝氨酸密码子TCG和TCA分别改写成同义密码子AGC和AGT,将终止密码子TAG改写成TAA(下图a)。还记得之前提到的密码子简并性不?也就是多个密码子对应一种氨基酸?他们这么做可以使得大肠杆菌编码丝氨酸的密码子由6个减为4个,而终止密码子由3个减为2个。而最终目的,是为了配合他们对大肠杆菌DNA上开放阅读框(ORF)的深刻研究和理解,重新设计一个更短的大肠杆菌基因组,但同时还能保证所需蛋白质的正常编码。野生型大肠杆菌的DNA含有约470万个碱基对,经过努力,他们设计的新DNA含有约398万个碱基对(下图d)。


Nature上的全合成文章,连个合成路线都没有


图片来源:Nature

设计完了基因组那就得想办法合成出来啦。既然是“全合成”,那么“逆合成分析”绝对得有。只是这篇“逆合成分析”没有化学结构的推演。


Nature上的全合成文章,连个合成路线都没有


图片来源:Nature

新的密码子经过化学合成后,被一段一段地添加进大肠杆菌中,逐步取代了大肠杆菌原有的天然基因组。下面这图你可以理解为合成路线。原来的大肠杆菌最终变成了一种全合成基因组微生物,也就是全合成的终产物,作者将其命名为Syn61。


Nature上的全合成文章,连个合成路线都没有


图片来源:Nature

按照惯例,合成出的产物要表征,用单晶衍射照个相总是需要的。作者对他们全合成出的产物Syn61也进行了表征。在显微镜下可以看到Syn61的体积略大,但能够正常生长,只是生长速度慢一些。这毕竟是人工全合成的生命体嘛,有些瑕疵也是正常。


Nature上的全合成文章,连个合成路线都没有


图片来源:Nature

文章大致的脉络就是这个样子,本君参考化合物全合成的思路给大家简单分析了一下。大家全合成一个化合物要经历无数次失败,想来全合成这个生命体更是让作者付出了大量的心血。该文章一经刊出就在生物界引起了不小轰动。一方面,大家感叹技术的进步,从上世纪全合成自然界存在的复杂化合物到现在我们能全合成生命体,也许人类离生命现象的本质又进一步。另一方面,有学者对该技术的应用范围表示一定的担忧。要知道现在火热的基因编辑技术也是从微生物开始,但最后被贺某某滥用。全合成基因组技术会不会变成疯子的工具反噬人类?但愿不会。

无论如何这篇文章应该是“全合成”领域的一个里程碑。

原文

Total synthesis of Escherichia coli with a recoded genome

Nature, 2019, 569, 514–518, DOI: 10.1038/s41586-019-1192-5

导师介绍

Jason W. Chin

https://www.x-mol.com/university/faculty/2550

(本文由乐只君子供稿)

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