轉基因生物安全鎖：構建更安全的細菌

新浪科技訊 北京時間23日消息，據國外媒體報導，轉基因生物，特別是完全人工合成出來的生物體的誕生，在不斷令人感到振奮的同時，也帶來了揮之不去的擔憂。這些生物有的已經在源源不斷地生成胰島素以及其他藥物成分，有的能夠製造生物燃料，有的可以幫助科學家了解人類疾病，還有的能改善漁業和農業的生。盡管轉基因的風險不像被人為誇大的那樣令人恐懼，但如果轉基因生物逃脫束縛，確實可能給自然生態系統造成麻煩。

物理性的控制是不夠的。實驗室的器皿和工業用的大桶有可能破裂；工人有可能把不經意間被污染的衣物帶回家。還有一些生物本來就是要在開闊的環境中發揮作用，如不能傳播瘧疾的蚊子。於是注意力就轉移到了生物控制方面，即建立內在的生物安全保障，避免轉基因生物在不應該存在的地方存活下來。為了做到這一點，遺傳學家和合成生物學家從安全工程師那裏尋找到了線索。

擔任哈佛醫學院羅伯特·溫索遺傳學講座教授，同時也是維斯研究所核心研究成員的喬治·丘奇(George Church)：“如果你製造出了一種具有潛在爆炸性的化學物質，你會往裏面加入穩定劑。如果你生汽車，你會裝上安全帶和安全氣囊。”而如果你創造出了一種基因組重新編碼的生物，它就只能依賴你所提供的物質存活。喬治·丘奇的研究組在2013年宣佈，他們創造出了世界上第一種基因組重新編碼的生物體：一株基因組完全改變的大腸桿菌(Escherichia coli)。

在1月21日的《自然》(Nature)雜誌中，他們闡述了如何對2013年的那株大腸桿菌進行更進一步的改進，在其基因組中的許多位置摻入了一種人工合成的胺基酸。如果沒有這種胺基酸，這種大腸桿菌就無法將核糖核酸(RNA)翻譯成正確摺疊的蛋白質。

在野外環境中，這種大腸桿菌無法自己合成這一人工的胺基酸，它們必須依賴特殊的實驗室培養基才能存活。另一個科研團隊也在《自然》雜誌上撰文稱，他們採用不同的方法也生成了同樣的、依賴人工合成胺基酸的大腸桿菌菌株。該研究團隊由喬治·丘奇的長期合作者，來自耶魯大學的法倫·艾薩克斯(Farren Isaacs)領導。

這兩個研究都是首次利用對人工合成營養的依賴作為生物控制的策略，這或許可以對開闊環境中轉基因生物的安全性問題帶來發。此外，“我們現在有了第一例基因組規模的生物工程，而不僅僅是基因編輯或基因組複製，”喬治·丘奇，“從基因組功能的角度來，這是目前為止改變最徹底的基因組。我們不僅有了新的編碼，而且有了一個新的胺基酸，該生物體完全要依賴於這種胺基酸。”

喬治·丘奇所在的團隊，由兩位共同第一作者丹·曼德爾(Dan Mandell)和馬克·拉茹瓦(Marc Lajoie)所領導，他們都是哈佛醫學院遺傳學的研究員。該團隊還使大腸桿菌對兩種病毒生了抗性，接下來他們還計劃使其能夠抵抗更多的病毒。

這些改進使製造更加安全的大腸桿菌菌株成為可能，這些菌株可以用於生物技術應用，而不用擔心會受到病毒的污染。受到病毒感染的菌株可能會帶來災難性的經濟損失，如果擴散的話還可能導致生態災難(大腸桿菌是工業上應用很廣的生物體)。

確定胺基酸

科學家已經探索出了兩種主流的生物控制方法，但二者均有缺陷。喬治·丘奇想對這兩種方法進行修正。

其中一種方法是將通常自給自足的生物體如大腸桿菌改造成營養缺陷體，即不能生成生長所需的某種特定營養物質。人類就是營養缺陷體，我們需要攝食維生素以及其他“必要”的營養物質。

喬治·丘奇稱，改變大腸桿菌的基因，使它們無法生成某種自然存在的營養物質，這一方法並不總是奏效。因為有些大腸桿菌可以從周圍環境中吸收這種營養物質。通過使大腸桿菌依賴於某種自然界沒有的營養物質，就可以降低這種風險。

另一個改造成營養缺陷體的不足之處是，大腸桿菌可以演化出合成所需營養物質的方式，或者在和其他大腸桿菌進行“水平基因轉移”過程時，通過DNA片段的交換，獲得這種合成能力。

喬治·丘奇相信，他的團隊可以避免這些可能性，因為他們對基因組做了49處基因改變，使它們必須依賴這種人工營養物質。如果某個大腸桿菌能隨機避免這些變化，同時不獲得某種有害突變，這樣的概率極其微小。

喬治·丘奇的方案還考慮到了另一種生物控制技術。這種技術利用基因“殺死開關”，使細菌能被某種毒素殺死，因此在逃逸時可以被很快地控制。喬治·丘奇：“如果要關閉‘殺死開關’，只要使基因不表達即可，”有很多方法都可以做到這一點。不過，通過基因組改造，使大腸桿菌對人工胺基酸生依賴卻比這些難得多。

成功製造“合成營養缺陷體”的關鍵之一，是保證大腸桿菌只有依賴人工胺基酸才能生存。為了做到這一點，喬治·丘奇的團隊將目標定在了細胞中發揮必要功能的蛋白質上。“如果你使周邊的基因不表達，好比取消了汽車的噴漆工作，那汽車還是能運轉，”他解釋道，“你需要把這種依賴性植入發動機的內部，比如曲軸，使它成為一個獨特的部分，你只能從歐洲的某個製造商那裏才能得到。”

構建更加安全的細菌

選擇與大腸桿菌生存密切相關的生化過程，以及需要合成一種自然界中找不到的營養物質，使得喬治·丘奇的團隊只能選擇少數幾個基因。他們利用計算機工具設計胺基酸，使其能引起“不可逆的、不可逃避的依賴性”。之后，他們選擇了最佳的候選胺基酸，進行合成並在大腸桿菌上進行實驗。

他們最終獲得了3種成功被重新設計的必需胺基酸，以及兩株具有依賴性的大腸桿菌。喬治·丘奇：“三種胺基酸一起使用時，作用比單獨使用時更強大。”他設想未來的大腸桿菌將依賴更多的合成胺基酸，從而徹底解決菌株逃逸的問題。

在沒有提供人工合成胺基酸的條件下，能存活的大腸桿菌數極低，以至於無法檢測到。在多次實驗中，喬治·丘奇的團隊培養了總共1萬億個大腸桿菌細胞，在兩周時間之后，沒有一個細胞能夠存活下來。喬治·丘奇稱，這比美國國立衛生研究院推薦的轉基因生物逃逸率低了10000倍。

當然，喬治·丘奇的方法還有待時間的檢驗。目前，他很滿意研究團隊已經獲得的檢測結果。他們致力於建設生物的安全工程，試圖開發出包含在生物體內部的機制，使得最終不再需要物理性的控制措施。與此同時，他：“我們可以使用物理性的控制方法進行糾錯，確保這些機制能夠有效發揮作用。”(任天)