Nature细胞编程新方法 细菌变生物工厂仅用3天

　　

　美国研究人员开发出一种称为多重自动基因工程技术（MAGE）的细胞编程新方法，通过平行编辑多重基因，可快速进行细胞定制。他们仅用3天时间就将大肠杆菌细胞转变成一个生产化合物的高效工厂，而大多数生物科技公司要完成这一任务需要几个月或几年的时间。该研究成果刊登在7月26日的《自然》杂志网络版上。

　　随着生物技术的发展，高通量基因测序技术使得生物学家可以每小时扫描数百万个DNA字母或碱基。但当他们要修正一个基因组时，往往会遇到阻碍，而过时的细胞编程技术更加大了修正的难度。

　　为了缩小DNA测序技术和细胞编程技术之间的差距，加快细胞编程速度，以快速设计出细胞的新功能或提高现有细胞功能，美国哈佛医学院遗传学教授乔治·丘奇领导的研究小组寻求利用基因和基因组信息，来开发新的细胞编程工具。新技术的关键在于，如何摆脱线性基因工程技术的束缚，超越目前的串行操纵单个基因模式。

　　研究人员选定大肠杆菌作为实验对象。他们将几个基因引入到大肠杆菌的环状染色体中，诱使其产生番茄红素——胡萝卜素的一种，具有极强的抗氧化活性。接下来的任务就是想办法调整细胞来增加这种化合物的产量。

　　传统上，可利用DNA重组技术，也称为基因克隆技术，来完成该类转化。但这种技术的程序相当复杂，包括分、切、连、转等多个环节。丘奇教授领导的研究小组则采取了不同的方法。研究论文的作者之一哈里斯·王强调，基因功能不是孤立的，而是相互依存的。克隆经常会使研究人员忽略了基因的相互依存性，以至于过于简单地看待细胞系统。他们有可能忘记，某一个突变可能会增强或削弱另一个突变的效果。而该论文的另一位作者法伦·艾萨克斯则指出，要预测哪一种变异组合会带来预期的性能几乎是不可能的，生物学如此复杂，根本无法找到这个问题的最优解。

　　因此，研究小组将工程师的逻辑性与生物学家对复杂事物的理解力有效结合起来。他们重组了进化路径，以前所未有的速度创造出遗传多样性，从而增加了发现具有特定属性细胞的几率。

　　研究人员从大肠杆菌4500个基因中选取了24个基因，将它们的DNA序列分成易于处理的90个字母片段，然后对每一个片段进行修改，以产生一系列的基因变异。接下来，利用这些特定的序列，研究人员制成数千个独特的基因结构，将它们重新插回细胞，以使自然的细胞机制能吸收这些改进了的遗传物质。

　　实验表明，有些细菌会和一个新结构融合，有些细菌则可以和多个新结构融合。在所产生的细胞中，有些比其他细胞能产生更多的番茄红素。研究小组从这些细胞中提取出最好的“生产者”，不断重复同样的过程，以使这一“生产机械”更加精细完善。而为了使实验更容易，所有这些步骤都是自动操作进行的。

　　通过加速进化，研究小组在3天内创造出多达150亿个基因变异，而番茄红素的产量则提高了5倍。而如使用传统的克隆技术创造这150亿个基因变异，需花费数年的时间。

　　报道指出，该研究小组的新路径在合成多种宝贵化合物的过程中会起到很重要的作用，那些经过重新编程的细菌也具有多种用途。MAGE平台将会给生物技术学，尤其是合成生物学的发展，带来强有力的推动。正如丘奇教授所言，MAGE这种自动化、多元化的技术将有助于研究人员设计出完整的研究路径和基因组，将把细胞编程技术带到一个全新的水平。（刘海英）