转基因生物安全锁：构建更安全的细菌

新浪科技讯 北京时间23日消息，据国外媒体报道，转基因生物，特别是完全人工合成出来的生物体的诞生，在不断令人感到振奋的同时，也带来了挥之不去的担忧。这些生物有的已经在源源不断地生成胰岛素以及其他药物成分，有的能够制造生物燃料，有的可以帮助科学家了解人类疾病，还有的能改善渔业和农业的生产。尽管转基因的风险不像被人为夸大的那样令人恐惧，但如果转基因生物逃脱束缚，确实可能给自然生态系统造成麻烦。

物理性的控制是不够的。实验室的器皿和工业用的大桶有可能破裂;工人有可能把不经意间被污染的衣物带回家。还有一些生物本来就是要在开阔的环境中发挥作用，如不能传播疟疾的蚊子。于是注意力就转移到了生物控制方面，即建立内在的生物安全保障，避免转基因生物在不应该存在的地方存活下来。为了做到这一点，遗传学家和合成生物学家从安全工程师那里寻找到了线索。

担任哈佛医学院罗伯特·温索遗传学讲座教授，同时也是维斯研究所核心研究成员的乔治·丘奇(George Church)说：“如果你制造出了一种具有潜在爆炸性的化学物质，你会往里面加入稳定剂。如果你生产汽车，你会装上安全带和安全气囊。”而如果你创造出了一种基因组重新编码的生物，它就只能依赖你所提供的物质存活。乔治·丘奇的研究组在2013年宣布，他们创造出了世界上第一种基因组重新编码的生物体：一株基因组完全改变的大肠杆菌(Escherichia coli)。

在1月21日的《自然》(Nature)杂志中，他们阐述了如何对2013年的那株大肠杆菌进行更进一步的改进，在其基因组中的许多位置掺入了一种人工合成的氨基酸。如果没有这种氨基酸，这种大肠杆菌就无法将核糖核酸(RNA)翻译成正确折叠的蛋白质。

在野外环境中，这种大肠杆菌无法自己合成这一人工的氨基酸，它们必须依赖特殊的实验室培养基才能存活。另一个科研团队也在《自然》杂志上撰文称，他们采用不同的方法也生成了同样的、依赖人工合成氨基酸的大肠杆菌菌株。该研究团队由乔治·丘奇的长期合作者，来自耶鲁大学的法伦·艾萨克斯(Farren Isaacs)领导。

这两个研究都是首次利用对人工合成营养的依赖作为生物控制的策略，这或许可以对开阔环境中转基因生物的安全性问题带来启发。此外，“我们现在有了第一例基因组规模的生物工程，而不仅仅是基因编辑或基因组复制，”乔治·丘奇说，“从基因组功能的角度来说，这是目前为止改变最彻底的基因组。我们不仅有了新的编码，而且有了一个新的氨基酸，该生物体完全要依赖于这种氨基酸。”

乔治·丘奇所在的团队，由两位共同第一作者丹·曼德尔(Dan Mandell)和马克·拉茹瓦(Marc Lajoie)所领导，他们都是哈佛医学院遗传学的研究员。该团队还使大肠杆菌对两种病毒产生了抗性，接下来他们还计划使其能够抵抗更多的病毒。

这些改进使制造更加安全的大肠杆菌菌株成为可能，这些菌株可以用于生物技术应用，而不用担心会受到病毒的污染。受到病毒感染的菌株可能会带来灾难性的经济损失，如果扩散的话还可能导致生态灾难(大肠杆菌是工业上应用很广的生物体)。

确定氨基酸

科学家已经探索出了两种主流的生物控制方法，但二者均有缺陷。乔治·丘奇想对这两种方法进行修正。

其中一种方法是将通常自给自足的生物体如大肠杆菌改造成营养缺陷体，即不能生成生长所需的某种特定营养物质。人类就是营养缺陷体，我们需要摄食维生素以及其他“必要”的营养物质。

乔治·丘奇称，改变大肠杆菌的基因，使它们无法生成某种自然存在的营养物质，这一方法并不总是奏效。因为有些大肠杆菌可以从周围环境中吸收这种营养物质。通过使大肠杆菌依赖于某种自然界没有的营养物质，就可以降低这种风险。

另一个改造成营养缺陷体的不足之处是，大肠杆菌可以演化出合成所需营养物质的方式，或者在和其他大肠杆菌进行“水平基因转移”过程时，通过DNA片段的交换，获得这种合成能力。

乔治·丘奇相信，他的团队可以避免这些可能性，因为他们对基因组做了49处基因改变，使它们必须依赖这种人工营养物质。如果某个大肠杆菌能随机避免这些变化，同时不获得某种有害突变，这样的概率极其微小。

乔治·丘奇的方案还考虑到了另一种生物控制技术。这种技术利用基因“杀死开关”，使细菌能被某种毒素杀死，因此在逃逸时可以被很快地控制。乔治·丘奇说：“如果要关闭‘杀死开关’，只要使基因不表达即可，”有很多方法都可以做到这一点。不过，通过基因组改造，使大肠杆菌对人工氨基酸产生依赖却比这些难得多。

成功制造“合成营养缺陷体”的关键之一，是保证大肠杆菌只有依赖人工氨基酸才能生存。为了做到这一点，乔治·丘奇的团队将目标定在了细胞中发挥必要功能的蛋白质上。“如果你使周边的基因不表达，好比取消了汽车的喷漆工作，那汽车还是能运转，”他解释道，“你需要把这种依赖性植入发动机的内部，比如曲轴，使它成为一个独特的部分，你只能从欧洲的某个制造商那里才能得到。”

构建更加安全的细菌

选择与大肠杆菌生存密切相关的生化过程，以及需要合成一种自然界中找不到的营养物质，使得乔治·丘奇的团队只能选择少数几个基因。他们利用计算机工具设计氨基酸，使其能引起“不可逆的、不可逃避的依赖性”。之后，他们选择了最佳的候选氨基酸，进行合成并在大肠杆菌上进行实验。

他们最终获得了3种成功被重新设计的必需氨基酸，以及两株具有依赖性的大肠杆菌。乔治·丘奇说：“三种氨基酸一起使用时，作用比单独使用时更强大。”他设想未来的大肠杆菌将依赖更多的合成氨基酸，从而彻底解决菌株逃逸的问题。

在没有提供人工合成氨基酸的条件下，能存活的大肠杆菌数极低，以至于无法检测到。在多次实验中，乔治·丘奇的团队培养了总共1万亿个大肠杆菌细胞，在两周时间之后，没有一个细胞能够存活下来。乔治·丘奇称，这比美国国立卫生研究院推荐的转基因生物逃逸率低了10000倍。

当然，乔治·丘奇的方法还有待时间的检验。目前，他很满意研究团队已经获得的检测结果。他们致力于建设生物的安全工程，试图开发出包含在生物体内部的机制，使得最终不再需要物理性的控制措施。与此同时，他说：“我们可以使用物理性的控制方法进行纠错，确保这些机制能够有效发挥作用。”