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一类新的物种可能已经被发明出来，这一切都是为了安全。 大肠杆菌（因食物中毒爆发而闻名的肠道细菌）的菌落已经过基因改造，促使它们产生有用的分子，例如燃料或药物。
但是，如果这些经过改造的微生物逃离实验室，可能会出现问题，特别是如果研究人员通过基因操作实现赋予它们抵抗病毒感染的目标时。这种抵抗力对于保持菌落在研究中存活很有用，但可能会使一种新型生物从只能在实验室或工业环境中生存的微生物转变为可以与野生同类竞争的细菌。因此，现在耶鲁大学和哈佛大学的研究人员已经演示了如何建立安全控制：他们已经使微生物依赖于人工氨基酸来制造生命所必需的蛋白质。除非故意用这些氨基酸喂养它们，否则任何逃逸的细菌都会死亡。“这增加了另一个重要的安全屏障，”耶鲁大学的生物学家法伦·艾萨克斯说，他是1月21日在《自然》杂志在线发表的两篇阐述这种方法的论文的资深作者。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）
耶鲁大学和哈佛医学院的团队研究了所谓的基因重编码生物，这是一种大肠杆菌，其基因改造已经达到了一个新的水平，对其遗传密码进行了多处更改。事实上，这些重编码的大肠杆菌（RE. coli）的基因组中的64个密码子之一（DNA或RNA的微小短语，对应于特定的氨基酸或识别细胞机制何时应停止构建蛋白质）已被替换，无论该遗传密码片段出现在其基因组的整个460万个碱基对中，总共有300多个修改。因此，这种RE. coli在没有天然存在的不寻常大小和形状的合成氨基酸的情况下，至少不能自行构建其生存所必需的蛋白质之一。本质上，研究人员已经构建了第一批依赖第21个氨基酸的生物体，这超出了用于构建地球上所有已知生命维持蛋白质的20种天然氨基酸。
有许多这样的合成氨基酸可供选择：哈佛研究人员建立了一种对名为bipA（联苯丙氨酸的简称）的合成氨基酸的依赖性；耶鲁大学团队选择了合成氨基酸pAzF（4-p-叠氮基-L-苯丙氨酸）。每个版本的RE. coli中控制基本蛋白质制造的几个基因都经过调整，因此组装蛋白质需要合成氨基酸，而不是20种常见氨基酸之一。“如果它们不能产生它[合成氨基酸]并且不能清除它，那么它们就会死亡，”哈佛医学院的遗传学家乔治·丘奇解释说，他是另一篇论文的资深作者，“除了那些发生突变到不再需要它的那些。”
未来，大肠杆菌产生的全部290种蛋白质的基因都可以进行调整，以便需要人工氨基酸来生成编码蛋白质，尽管丘奇建议，仅使其中三到四种蛋白质依赖于合成氨基酸就足以确保随机突变使经过调整的微生物的某种版本在实验室外生存的机会小于千亿分之一。当然，这些几率并不意味着逃脱是不可能的，但是“在现实世界中不可能意味着实际上概率低于您会培养的任何规模的人群，”丘奇指出。其他逃脱途径可能是RE. coli细胞从其他死亡细胞中清除泄漏的氨基酸，或与其他微生物交换足够的遗传物质以找到生存的方法。美国国立卫生研究院目前的生物技术法规要求每1亿个细胞中出现的突变体不得超过一个。
新的内置安全控制（这种氨基酸在实验室外找不到）也可能为工业带来好处：细菌对病毒感染的抵抗力。最早版本的重编码大肠杆菌的密码子变化较少，但这些调整赋予了对常见病毒的免疫力。正是这种抵抗病毒的能力可能导致工业界也采用这种新的遗传安全代码。“一旦你将这两者结合起来，它就会变得非常有吸引力，”丘奇说，因为这些微生物既安全地被控制住，又减少了被感染消灭的风险。
“人们非常担心”基因工程的安全性，爱丁堡大学基因组铸造厂主任蔡“帕特里克”一之说，他正在为酵母菌研究类似的基因控制策略。他说，“你可以改写生命的代码”，但新的细菌，他认为，除了依赖合成氨基酸之外，出于其他原因也会更安全。他说，新物种在野外很难生存，因为它们无法轻易地与其他细菌交换有用的基因。“它们无法与野生型进行交流，”他指出，“因为[研究人员]已经设计出一种说不同化学词汇的物种。”
基因控制
2008年，总部位于马萨诸塞州剑桥市的健赞公司不得不关闭其在比利时的生物反应器，在那里，中国仓鼠卵巢细胞大量生产治疗遗传疾病的药物塞利酶和法布酶。卵巢细胞感染了小泡病毒，这阻碍了它们的生长。次年夏天，健赞在其位于马萨诸塞州奥尔斯顿的生物反应器中也经历了同样的病毒感染。每个设施都必须关闭几个月才能进行彻底清洁，这导致该药物的销售损失超过1亿美元。
如今，这种生物反应器是一项大生意，在世界各地用于生产从胰岛素到酸奶和奶酪等乳制品的一切产品。尽管发酵发生在物理密封的容器中，但这些密封并非完美，病毒可以进入并破坏该过程，正如健赞的案例一样。或者工业微生物可能会逃脱，如果基因上更优越，则会取代野生版本。
通常，工业微生物，例如杜邦公司用于生产塑料前体丙二醇的经过改造的大肠杆菌，如果被释放，则无法与它们的野生同类竞争。但是，如果微生物具有使其抵抗病毒感染的基因，那么这种抵抗力可能会在生存的进化斗争中成为一个引人注目的优势。“该类别可能会超越并成为野外的入侵物种，”丘奇建议。“这并不意味着对环境不利，但可能会产生影响。”
为了解决这个潜在的问题，这些团队测试了对合成氨基酸的需求是否会阻止抗病毒细菌在实验室外生存。“你希望它在基因和代谢上与其他物种隔离，”丘奇指出。他的小组培养了数万亿个依赖于合成氨基酸的RE. coli细胞，以观察是否有任何细胞可以进化逃脱，结果没有。在RE. coli通过突变设法生存的实验中，常规大肠杆菌很容易超越逃脱的突变体。
事实上，RE. coli的遗传学与它的野生同类非常不同，它不应该能够成功地与它们交换基因。RE.coli的更改分散在整个基因组中；因此，在这样的交换（称为水平基因转移）中，没有足够的基因出现以允许适当的蛋白质制造和存活，或者这些细菌交易了太多的遗传物质，以至于经过调整的大肠杆菌也失去了它的其他调整。在哈佛小组的工作中，“它们要么没有摄入足够的DNA来逃脱，要么摄入了太多的DNA，以至于它们覆盖了整个基因组，”哈佛医学院的遗传学家丹尼尔·曼德尔解释说，他是丘奇实验室论文的主要作者。
本质上，RE.coli说的化学和遗传语言与大肠杆菌不同。“重编码建立了一个遗传防火墙，可以防止遗传物质的交换，”艾萨克斯说。他的实验室还在研究其他控制方法，包括进一步调整单个基因的表达方式，或者创建一个细胞机制，如果在没有某些化学物质的情况下会切割基因组。
采用RE.coli和其他重编码生物的最大障碍可能是安全措施的成本。例如，每升培养物添加pAzF的成本接近300美元。考虑到工业发酵罐至少可容纳1000升，该成本可能会过高。另一方面，每升bipA的成本约为4美元。“选择这些氨基酸是为了尽可能便宜，”丘奇说。“真正选择以低浓度和低成本使用。”
但是，如此高水平的安全控制引发了人们的预期，即有一天这种重编码生物甚至可以被释放到野外。“引入这些类型的安全措施为这些生物体在某些受控发酵过程之外的新应用奠定了基础，”艾萨克斯说。“你可以想象使用用于生物修复的特殊微生物或作为可以对抗疾病的益生菌的工程生物体。”
邱奇实验室目前正在扩展这项工作，将整个RE. coli基因组中的七个密码子都进行更改，而不仅仅是一个。这可能会创造出一种可以大量生产特定化合物、抵抗病毒，并且即使在更广阔的世界中释放也不会逃离实验室或引起麻烦的微生物。“我惊喜地发现，这对生产力的影响非常小，”邱奇说。
艾萨克斯指出，将新的合成氨基酸整合到细菌蛋白质中，可能会通过改变这些蛋白质的功能来实现新的化学反应。反过来，这种功能上的改变可能会使经过调整的RE. coli成为活的铸造厂，生产结合合成和天然氨基酸的新型产品或材料，例如新型蛋白质药物或新型塑料。“它可能是新型药物输送载体或纳米结构以及抗菌农药的基础，”他说。“早期的结果令人鼓舞。”
新的生命
重大的基因调整也意味着这种新的合成RE. coli不仅仅是一个新的物种。它可能值得被指定为新的纲，甚至是新的生命界，因为它无法再与其他微生物进行基因互动。“一旦它变得足够不同，它就会形成一种生命界中前所未有的遗传密码屏障，”邱奇认为。
尽管如此，逃脱这种基因束缚并非不可能。无论是通过随机机会还是人为调整赋予的，能够改善生命的改变都将繁荣发展，而且目前还没有发明出任何能够阻止进化找到绕过它的方法的技术。“这是一项伟大的技术，但这并不是游戏的结束，”蔡指出。“我们只是处于一场持续战斗的开始。”
这项工作并不仅限于E. coli。这种重编码可以扩大规模，当然也会面临挑战，应用于更大的工业生物，例如酵母，甚至有一天可能应用于植物。“植物的蛋白质编码基因是E. coli的九倍，”邱奇说，并指出这种差异意味着需要合成更多DNA并将其插入到植物基因组中，同时还要应对植物或植物细胞与微生物相比相对缓慢的生长速度。“这更具挑战性，但并非遥不可及。”