細胞工程：如何解構基因 合成生物學家向重寫更複雜生命基因組進軍

合成和編輯 DNA 技術的進步已經使得成本下降，同時帶來更高的精確性，幫助生物學家從零開始或重新設計微生物基因組。

掃描電子顯微鏡下的人類染色體。圖片來源：科學圖片圖書館

在典型的實驗室條件下，大腸桿菌菌株 JF1 看起來彼此沒有什麼區別——都表現為琥珀色瓊脂板上的少量黃色菌落。但若將菌落置於紅光、綠光或藍光波段中，它們的細胞則會將培養皿中的化學物質轉變為色素，這種模式與它們接觸的光的顏色相匹配，會產生一種溫和而模糊的圖像，讓人們想起上世紀 70 年代的寶麗來膠片。

美國麻省理工學院的 Christopher Voigt 創建了驅動這種變化的複雜基因電路，他的實驗室在今年 5 月報告稱利用該系統重建了荷蘭藝術家 M. C. Escher 構思的蜥蜴的五彩繽紛的幾何圖。他表示，做這項研究只是因為它的趣味性，這是一種展示最先進的合成生物學的方法。但這並不容易：這個電路含有 18 個基因和 32 個常規元素，它們覆蓋了 4 個被稱作「質粒」的小電路 DNA 分子和 46198 個 DNA 鹼基對。它會對紅光、綠光和藍光分別作出回應。「如果你把它們加在一起，那麼將是一項非常複雜的工程。」Voigt 說。

這並非唯一的案例。合成生物學充滿了類似甚至更加複雜的項目。合成和編輯 DNA 技術的進步已經使得成本下降，同時帶來更高的精確性，幫助生物學家從零開始或重新設計微生物基因組，例如大腸桿菌、啤酒酵母等。現在，合成生物學家正在嚴肅地討論重新設計包括人類在內的更複雜生物的基因組，儘管其中仍有許多障礙和挑戰。

編輯障礙

如果不出問題的話，一個超大塊的基因可在兩周內被整合及驗證。健康測驗和「調節」「在這一點上比實際構建花費的時間更長」。紐約大學蘭貢醫學中心的 Jef Boeke 說。

到目前為止，他表示，每個被完成的染色體僅顯現出少量引人注目的「故障」。其中一些來自於基因組註釋錯誤，另一些則是由密碼子替換造成的，例如改變二級 RNA 結構。

在大多數情況下，酵母在衝壓之下會滾動。但突然出現的小故障表明了更大規模的編輯項目——基因組編寫計劃（GP-write）所面臨的挑戰，它旨在重寫更加複雜的真核細胞的基因組。

除了大規模（30 億個鹼基對）層面的明顯問題，人類基因組的大小也比釀酒酵母大兩個數量級，而更複雜生命的基因組註解程度更低。另外還有其他挑戰。國際合成基因組酵母計劃（Sc2.0）和其他基因組改寫計劃傾向於避開基因的調控區域，但在更複雜的生命體如真核生物中，這些通常距離它們影響的基因較遠，其圖譜可能尚未得到充分繪製。因此，研究人員可能不知道改寫哪個片段以及不改動哪些片段。另外，如此大規模的基因組改變會如何影響核染質的結構並進一步影響基因表達也尚不清楚。

在實踐層面，染色體大小的 DNA 分子如果不打破就很難操作，目前尚無有效方法可以將它們傳輸到大多數真核細胞中。即便科學家可以傳輸 DNA，他們可能也難以將其融入到基因組中，因為大多數類似基因不能像酵母那樣進行同源重組，而且它們更加緩慢的生長拖延了每個實驗步驟。

此外，還需要考慮合成 DNA 的成本。哈佛大學懷斯生物工程研究所生化學家 Pamela Silver 帶領的團隊因為在鼠傷寒沙門氏菌領域的研究工作獲得了來自美國國防高級研究計劃局的資助，這使該團隊可以在 DNA 合成方面商洽較為有利的價格。但她表示，如果按照每個鹼基對 0.10 美元計算，她的項目將要花費 100 多萬美元；對照來看，人類基因組將要花費相當於此數百倍的資金。

然而，哈佛醫學院遺傳學家 George Church 表示，技術趕上人們的雄心只是時間問題。「我想，隨著時間的發展，構建大規模基因組將會變得越來越容易。」

精準編寫

到目前為止，基因組重新編輯要在很大程度上遵循大自然的「秘方」。但最終，生物學家希望能夠賦予其一些新功能。

若干新項目，包括大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌研究，均聚焦基因組重編碼，其中從基因組移除的密碼子可被自由地用於其他用途。英國劍橋 MRC 分子生物學實驗室合成生物學家 Jason Chin 已經在操縱基因遺傳方面做了廣泛的工作。他表示，這樣的重新編碼可以推進蛋白質編輯，更不必說是設計、測試和合成來自單體的新化學聚合物，而非標準的氨基酸。其他潛在的應用包括生物抑制（阻止實驗室外有機體的釋放）和基因隔離（保護機體不受病毒感染）。

對很多專家來說，現有技術提供了他們需要的所有編輯基因的力量。位於馬薩諸塞州劍橋的公司 eGenesis 正在用基因編輯工具 CRISPR 將豬轉變為可移植器官來源。該公司共同創始人 Luhan Yang 解釋說，其想法是利用 CRISPR 減少豬基因組，從而除去可能會引發人體免疫響應的序列編碼蛋白。而新的基因編碼蛋白有助於讓豬器官符合人類需求。「我們認為數十個基因編輯可能就足夠了。」她說。

然而，實際上這些基因組編輯研究沒有任何一項已經建造了連續延伸的染色體大小的 DNA 分子。大多數商業 DNA 合成供應商依賴於已使用了數十年的合成生物學方法，它們已經不適用於製作長度超過 200 個核苷酸的分子。Church 的團隊像絕大多數追逐基因組合成的團隊一樣，分層次地裝配了 DNA。它購買了預算製作的 2 千~4 千鹼基長的基因片段，利用同源重組在酵母中將其裝配為 50 千鹼基長的模塊，然後將這些完成的片段轉入大腸桿菌中。該團隊隨後刪除了大腸桿菌基因組相應的區域，並檢測了生成的細菌菌株的健康程度。

Ostrov 表示，重編碼過程非常順利，儘管出現了一些小問題。「這些基因組中擁有特殊的信息。」Chin 說，它盡可以在實驗中被破譯。

電路城市

其他研究人員在開發基因電路，從而賦予基因組新的功能。

在總體上，這些電路，如 Voigt 的圖像捕捉細菌菌株，是由更簡單的設計積累的，利用了叫作轉錄因子的蛋白質作為正面或負面的輸入和輸出信號。馬薩諸塞州波士頓大學生物醫學工程師 Wilson Wong 利用插入或刪除 DNA 片段的重組酶進行設計—— 一種叫作 BLADE（通過 DNA 切除的布爾邏輯和算術）的設計策略。

Wong 說，BLADE 可以讓研究人員規避讓電路彼此相連的困難，這需要一個電路的輸出強度與下一個電路的預期輸出強度相匹配。

在一項展示中，Wong 和團隊創建了布爾邏輯檢查表—— 一個約 10 千鹼基長的基因電路，根據 6 個重組酶是否存在，它可以轉變為任何 16 個潛在的邏輯門之一。

Wong 的團隊僅利用一支鉛筆、一張紙就設計了這個電路。但最終，合成生物學家希望能夠利用硅元素建立自己的設計。Voigt 與波士頓大學電子工程師 Douglas Densmore 合作，開發了一個叫作 Cello 的工具使這成為可能。研究人員在一種叫作 Verilog 的程序語言中對基因—電路設計進行了具體化，Cello 製作讓它們起作用的 DNA 序列。

儘管它們看起來有些簡單，Voigt 說，但微生物基因組展示了精細基因控制令人難以置信的潛力。「我們幾乎被自然界存在的事物戲弄。」他說，但通過將基因編輯技術、基因組分析和精巧設計的工具綜合在一起，研究人員正在逐漸再平衡其比例。