新編碼基因組示意圖。科學家將3種終止密碼子簡化為一種非退化性TAA密碼子，原來的TGA和TAG密碼子被重新分配了功能，用于編碼非標準氨基酸。這些氨基酸可被加入到合成蛋白質中，并擁有廣泛的應用前景。圖片來源：美國耶魯大學
科技日報北京2月13日電 （記者張夢然）美國耶魯大學合成生物學家創建了一種新型基因組重新編碼生物體（GRO），并命名為“赭石”（Ochre），實現了對生物體遺傳密碼的重寫。這一成果發表在最新一期《自然》雜志上，不僅促進了人類對遺傳密碼可塑性的理解，也為未來合成生物學的應用提供了更多可能。
在這項研究中，科學家成功將DNA或RNA中的冗余密碼子壓縮成單一密碼子。密碼子用于指導特定氨基酸的加入或指示蛋白質合成的終止。具體來說，密碼子是DNA和RNA中由3個核苷酸組成的序列，它在蛋白質合成過程中起到“說明書”的作用，指示細胞將20種天然氨基酸中的某一種添加到正在增長的蛋白質鏈中。此外，存在3種“終止密碼子”：TAG、TGA和TAA，它們標志著蛋白質合成的結束。
此次，科學家消除了大腸桿菌中用于終止蛋白質合成的3個“終止密碼子”中的兩個，并重新分配了密碼子的功能，使非標準氨基酸能夠被編碼進蛋白質中。
這項突破性工作，基于超過1000次精確編輯的全基因組工程，其規模比以往任何同類工程都要大一個數量級。此外，科學家還利用人工智能（AI）技術，設計并改良了必需的蛋白質和RNA翻譯因子，創造了一種可以使用兩種非標準氨基酸的新菌株。這些非標準氨基酸賦予蛋白質新的特性，如降低免疫原性或增強導電性，從而為可編程生物治療藥物和生物材料的發展開辟了新途徑。
“赭石”的創建，是向構建具有非冗余遺傳密碼大腸桿菌邁出的重要一步，它特別適合生產含有多種不同合成氨基酸的蛋白質。同時，通過這種技術生產的合成蛋白質，對于醫療和工業應用均擁有巨大潛力。
“赭石”的誕生，無疑標志著合成生物學進入了一個新時代。它顯著推動了我們對遺傳密碼的理解。這種理解為探索新的生物學功能開辟了道路，例如設計特定功能的蛋白質、降低免疫原性研究等，都將極大促進個性化醫療的發展。此外，在工業上，該技術也有望帶來更高效、環保的生物制造方法。不過，我們也要看到這一進步背后的倫理與技術挑戰：如何確保其在醫學上被安全使用？怎樣平衡其益處與風險？這些或是未來需要深入探討的問題。
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