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一類新的物種可能已經被髮明出來，這一切都是為了安全。 大腸桿菌（因食物中毒爆發而聞名的腸道細菌）的菌落已經過基因改造，促使它們產生有用的分子，例如燃料或藥物。
但是，如果這些經過改造的微生物逃離實驗室，可能會出現問題，特別是如果研究人員透過基因操作實現賦予它們抵抗病毒感染的目標時。這種抵抗力對於保持菌落在研究中存活很有用，但可能會使一種新型生物從只能在實驗室或工業環境中生存的微生物轉變為可以與野生同類競爭的細菌。因此，現在耶魯大學和哈佛大學的研究人員已經演示瞭如何建立安全控制：他們已經使微生物依賴於人工氨基酸來製造生命所必需的蛋白質。除非故意用這些氨基酸餵養它們，否則任何逃逸的細菌都會死亡。“這增加了另一個重要的安全屏障，”耶魯大學的生物學家法倫·艾薩克斯說，他是1月21日在《自然》雜誌線上發表的兩篇闡述這種方法的論文的資深作者。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）
耶魯大學和哈佛醫學院的團隊研究了所謂的基因重編碼生物，這是一種大腸桿菌，其基因改造已經達到了一個新的水平，對其遺傳密碼進行了多處更改。事實上，這些重編碼的大腸桿菌（RE. coli）的基因組中的64個密碼子之一（DNA或RNA的微小短語，對應於特定的氨基酸或識別細胞機制何時應停止構建蛋白質）已被替換，無論該遺傳密碼片段出現在其基因組的整個460萬個鹼基對中，總共有300多個修改。因此，這種RE. coli在沒有天然存在的不尋常大小和形狀的合成氨基酸的情況下，至少不能自行構建其生存所必需的蛋白質之一。本質上，研究人員已經構建了第一批依賴第21個氨基酸的生物體，這超出了用於構建地球上所有已知生命維持蛋白質的20種天然氨基酸。
有許多這樣的合成氨基酸可供選擇：哈佛研究人員建立了一種對名為bipA（聯苯丙氨酸的簡稱）的合成氨基酸的依賴性；耶魯大學團隊選擇了合成氨基酸pAzF（4-p-疊氮基-L-苯丙氨酸）。每個版本的RE. coli中控制基本蛋白質製造的幾個基因都經過調整，因此組裝蛋白質需要合成氨基酸，而不是20種常見氨基酸之一。“如果它們不能產生它[合成氨基酸]並且不能清除它，那麼它們就會死亡，”哈佛醫學院的遺傳學家喬治·丘奇解釋說，他是另一篇論文的資深作者，“除了那些發生突變到不再需要它的那些。”
未來，大腸桿菌產生的全部290種蛋白質的基因都可以進行調整，以便需要人工氨基酸來生成編碼蛋白質，儘管丘奇建議，僅使其中三到四種蛋白質依賴於合成氨基酸就足以確保隨機突變使經過調整的微生物的某種版本在實驗室外生存的機會小於千億分之一。當然，這些機率並不意味著逃脫是不可能的，但是“在現實世界中不可能意味著實際上機率低於您會培養的任何規模的人群，”丘奇指出。其他逃脫途徑可能是RE. coli細胞從其他死亡細胞中清除洩漏的氨基酸，或與其他微生物交換足夠的遺傳物質以找到生存的方法。美國國立衛生研究院目前的生物技術法規要求每1億個細胞中出現的突變體不得超過一個。
新的內建安全控制（這種氨基酸在實驗室外找不到）也可能為工業帶來好處：細菌對病毒感染的抵抗力。最早版本的重編碼大腸桿菌的密碼子變化較少，但這些調整賦予了對常見病毒的免疫力。正是這種抵抗病毒的能力可能導致工業界也採用這種新的遺傳安全程式碼。“一旦你將這兩者結合起來，它就會變得非常有吸引力，”丘奇說，因為這些微生物既安全地被控制住，又減少了被感染消滅的風險。
“人們非常擔心”基因工程的安全性，愛丁堡大學基因組鑄造廠主任蔡“帕特里克”一之說，他正在為酵母菌研究類似的基因控制策略。他說，“你可以改寫生命的程式碼”，但新的細菌，他認為，除了依賴合成氨基酸之外，出於其他原因也會更安全。他說，新物種在野外很難生存，因為它們無法輕易地與其他細菌交換有用的基因。“它們無法與野生型進行交流，”他指出，“因為[研究人員]已經設計出一種說不同化學詞彙的物種。”
基因控制
2008年，總部位於馬薩諸塞州劍橋市的健贊公司不得不關閉其在比利時的生物反應器，在那裡，中國倉鼠卵巢細胞大量生產治療遺傳疾病的藥物塞利酶和法布酶。卵巢細胞感染了小泡病毒，這阻礙了它們的生長。次年夏天，健贊在其位於馬薩諸塞州奧爾斯頓的生物反應器中也經歷了同樣的病毒感染。每個設施都必須關閉幾個月才能進行徹底清潔，這導致該藥物的銷售損失超過1億美元。
如今，這種生物反應器是一項大生意，在世界各地用於生產從胰島素到酸奶和乳酪等乳製品的一切產品。儘管發酵發生在物理密封的容器中，但這些密封並非完美，病毒可以進入並破壞該過程，正如健讚的案例一樣。或者工業微生物可能會逃脫，如果基因上更優越，則會取代野生版本。
通常，工業微生物，例如杜邦公司用於生產塑膠前體丙二醇的經過改造的大腸桿菌，如果被釋放，則無法與它們的野生同類競爭。但是，如果微生物具有使其抵抗病毒感染的基因，那麼這種抵抗力可能會在生存的進化鬥爭中成為一個引人注目的優勢。“該類別可能會超越併成為野外的入侵物種，”丘奇建議。“這並不意味著對環境不利，但可能會產生影響。”
為了解決這個潛在的問題，這些團隊測試了對合成氨基酸的需求是否會阻止抗病毒細菌在實驗室外生存。“你希望它在基因和代謝上與其他物種隔離，”丘奇指出。他的小組培養了數萬億個依賴於合成氨基酸的RE. coli細胞，以觀察是否有任何細胞可以進化逃脫，結果沒有。在RE. coli透過突變設法生存的實驗中，常規大腸桿菌很容易超越逃脫的突變體。
事實上，RE. coli的遺傳學與它的野生同類非常不同，它不應該能夠成功地與它們交換基因。RE.coli的更改分散在整個基因組中；因此，在這樣的交換（稱為水平基因轉移）中，沒有足夠的基因出現以允許適當的蛋白質製造和存活，或者這些細菌交易了太多的遺傳物質，以至於經過調整的大腸桿菌也失去了它的其他調整。在哈佛小組的工作中，“它們要麼沒有攝入足夠的DNA來逃脫，要麼攝入了太多的DNA，以至於它們覆蓋了整個基因組，”哈佛醫學院的遺傳學家丹尼爾·曼德爾解釋說，他是丘奇實驗室論文的主要作者。
本質上，RE.coli說的化學和遺傳語言與大腸桿菌不同。“重編碼建立了一個遺傳防火牆，可以防止遺傳物質的交換，”艾薩克斯說。他的實驗室還在研究其他控制方法，包括進一步調整單個基因的表達方式，或者建立一個細胞機制，如果在沒有某些化學物質的情況下會切割基因組。
採用RE.coli和其他重編碼生物的最大障礙可能是安全措施的成本。例如，每升培養物新增pAzF的成本接近300美元。考慮到工業發酵罐至少可容納1000升，該成本可能會過高。另一方面，每升bipA的成本約為4美元。“選擇這些氨基酸是為了儘可能便宜，”丘奇說。“真正選擇以低濃度和低成本使用。”
但是，如此高水平的安全控制引發了人們的預期，即有一天這種重編碼生物甚至可以被釋放到野外。“引入這些型別的安全措施為這些生物體在某些受控發酵過程之外的新應用奠定了基礎，”艾薩克斯說。“你可以想象使用用於生物修復的特殊微生物或作為可以對抗疾病的益生菌的工程生物體。”
邱奇實驗室目前正在擴充套件這項工作，將整個RE. coli基因組中的七個密碼子都進行更改，而不僅僅是一個。這可能會創造出一種可以大量生產特定化合物、抵抗病毒，並且即使在更廣闊的世界中釋放也不會逃離實驗室或引起麻煩的微生物。“我驚喜地發現，這對生產力的影響非常小，”邱奇說。
艾薩克斯指出，將新的合成氨基酸整合到細菌蛋白質中，可能會透過改變這些蛋白質的功能來實現新的化學反應。反過來，這種功能上的改變可能會使經過調整的RE. coli成為活的鑄造廠，生產結合合成和天然氨基酸的新型產品或材料，例如新型蛋白質藥物或新型塑膠。“它可能是新型藥物輸送載體或奈米結構以及抗菌農藥的基礎，”他說。“早期的結果令人鼓舞。”
新的生命
重大的基因調整也意味著這種新的合成RE. coli不僅僅是一個新的物種。它可能值得被指定為新的綱，甚至是新的生命界，因為它無法再與其他微生物進行基因互動。“一旦它變得足夠不同，它就會形成一種生命界中前所未有的遺傳密碼屏障，”邱奇認為。
儘管如此，逃脫這種基因束縛並非不可能。無論是透過隨機機會還是人為調整賦予的，能夠改善生命的改變都將繁榮發展，而且目前還沒有發明出任何能夠阻止進化找到繞過它的方法的技術。“這是一項偉大的技術，但這並不是遊戲的結束，”蔡指出。“我們只是處於一場持續戰鬥的開始。”
這項工作並不僅限於E. coli。這種重編碼可以擴大規模，當然也會面臨挑戰，應用於更大的工業生物，例如酵母，甚至有一天可能應用於植物。“植物的蛋白質編碼基因是E. coli的九倍，”邱奇說，並指出這種差異意味著需要合成更多DNA並將其插入到植物基因組中，同時還要應對植物或植物細胞與微生物相比相對緩慢的生長速度。“這更具挑戰性，但並非遙不可及。”