新型合成大肠杆菌对噬菌体感染具有免疫作用

哈佛大学的研究人员合成了新的大肠杆菌菌株，可以对抗噬菌体感染，从而增加了生物制造产品的一致性并减少安全问题，这对生物技术产业来说具有极大的价值。

编译 李升伟  茅  矛

（特趣生物科技有限公司，广东深圳）

从生物经济角度来说，微生物是富有价值的制造工具，一些生物技术产业在生产系统中广泛使用大肠杆菌，因此长期以来，许多科学家一直在研究大肠杆菌的基因组，以提高其生产效率。然而，来自噬菌体（一类感染细菌的病毒）的感染威胁、以及有害的遗传物质在生物体之间的转移，可能使大肠杆菌因安全隐患和有缺陷的产品而停止生产，无疑给生物制造带来了沉重的代价。正因为如此，研究人员往往会花费数年时间对大肠杆菌进行工程化研究，希望制造出更好、更安全的生产工具，并扩大合成生物体的应用范围和商业潜力。现在，在3月15日发表在《自然》杂志上的一项研究中，哈佛医学院的研究人员报告了一种新的大肠杆菌菌株，它可以抵抗病毒感染，且不会在野外释放其修改过的基因，从而降低了将修改过的遗传物质导入自然细胞的风险。

这种新的大肠杆菌菌株被命名为Ec_Syn61?3-SL，为了构建它，哈佛医学院的研究团队从由英国研究人员2021年生成的合成细菌Syn61?3入手，其密码子总数是减少的，与天然生物界的64个密码子不同的是，它只有61个，其基因组中没有三种特定的密码子：两个编码丝氨酸，另一个指导蛋白质组装的停止。而且，英国小组还把大肠杆菌基因组中这些密码子对应的转移RNA（tRNA）分子进行了去除。这些tRNAs负责将氨基酸整合到不断增长的蛋白质链中，感染密码子减少大肠杆菌的噬菌体会发现其细胞机制中的缺陷，从而无法维持病毒复制，但大肠杆菌仍然可以使用61个密码子集来生产其生存所需的所有蛋白质。

然而，地球上噬菌体的多样性是多到令人难以置信的。“噬菌体这种吞噬细菌的病毒可以说是无处不在，在河流中、在我们的鞋子上、在我们的花园中。”作为《自然》杂志新发表论文的合著者之一，哈佛大学的研究人员亚柯斯•奈尔吉斯（Akos Nyerges）告诉《科学家》杂志说。因此，奈尔吉斯和他哈佛大学的同事决定测试2021菌株抵御不同类型病毒的能力。

该研究团队用从各种不同的环境样本中分离出的病毒对Syn61?3大肠杆菌菌株进行感染，发现其中一组可以感染它。他们对成功感染组病毒的基因组材料进行了分析，发现它们全都携带有自己的tRNA，这使得它们可以轻松克服合成细菌的遗传学限制。

因为原始菌株对一些噬菌体仍然有一定程度的易感性，研究人员决定对病毒tRNAs进行工程化研究，使合成的大肠杆菌也无法接触到这些噬菌体。

“我们认为，如果病毒善于克服这些障碍，我们可以充分利用它们的力量来建立一套人工的遗传密码。”奈尔吉斯说。

为了使新版本的大肠杆菌菌株能够抵抗那些成功感染的噬菌体，奈尔吉斯和他的团队在细菌的基因组材料中添加了具有欺骗性的tRNAs：这些tRNAs是来自于病毒自身的tRNAs，但经过修改后，它们在读取病毒基因组时将添加亮氨酸而不是丝氨酸。丝氨酸和亮氨酸都被发现存在于自然界中，但它们的组成和性质都有极大的不同。这意味着当这些病毒感染新的Ec_Syn61?3-SL菌株时，大肠杆菌虽然能够提供它们所需的tRNAs，但最终却产生无功能蛋白。这种方法在合成性大肠杆菌与每种噬菌体之间创造了独特的遗传屏障，接受测试的病毒没有一种能够克服这种分子屏障而感染工程化细胞。

然而，一种不存在捕食噬菌体的细菌将具有重大的进化优势，因此研究人员增加了内置的安全措施，以便在发生泄漏事件时防止它在环境中茂盛生长。研究小组将非天然氨基酸――联苯丙氨酸的密码子插入到一种细菌生长所必需的蛋白质序列中，使新菌株对联苯丙氨酸产生依赖性。结果是，合成大肠杆菌的生长被限制在向它们提供非天然氨基酸的环境中，有效防止了合成遗传信息逃逸到野外，奈尔吉斯说。

比利时鲁汶大学的研究人员罗伯•拉维尼（Rob Lavigne）没有参加这项工作，他告诉《科学家》杂志说：“这篇论文在生物隔离控制方面增加了额外步骤，从而产生了一个更稳固而且独立的系统。用于创造新的大肠杆菌的技术也可以被证明用于其他目的，例如为更复杂的生物体创造完全合成的基因组。在这方面，细菌生物技术的未来研究指向了产生插入额外密码子的菌株，让科学家有更多的机会操纵它们的生物学。这篇论文引入了一个新概念，为超越大肠杆菌之外的未来应用铺平了道路。但是，这个概念还需要进一步的验证，并为其准备量身定制的解决方案。”

资料来源：The Scientist

原文链接：New Synthetic  E. coli  Is Immune to Bacteriophage Infection  https://www.the-scientist.com/news-opinion/new-synthetic-e-coli-is-immune-to-bacteriophage-infection-71046