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為了改造基因,科學家可以去到幾盡?

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E. coli. / wikipedia

 

從顯微鏡才能看到的細菌以至人類,每一種生物都有特定的基因圖譜。簡單來說不同生物都有特定的編碼程式。

蛋白質是每種生物不同細胞的必要元素,我們的免疫系統、細胞之間訊息的傳遞都缺少不了蛋白質。而蛋白質的基本單位便是胺基酸 (amino acids),胺基酸由64個不同組合的密碼子(codon) 組成。這樣的一層又一層緊密的結構,是維持生物正常運作的關鍵。

有趣的是,不同組合的密碼子也可以組成相同的胺基酸。例如CCC、 CCA、 CCG、 CCU 四個組合可以製造脯胺酸(Proline),而GCU、 GCC、 GCA、 GCG 四個組合可以製造丙胺酸(Alanine)。

美國哈佛大學科學家George Church及其團隊想問一個大膽的問題:「我們可否透過改變密碼子把某些重複的密碼子組合刪去,從而重新編製生物的基因圖譜,但是不影響細胞的運作?」

於是他們把實驗室最常用的基因工程生物工具 – 大腸桿菌 (E. coli.) – 作為示範。要改變大腸桿菌的基因圖譜,就好像在一份三百七十萬字的Word文件中搜索七個由三個字母組成的組合,然後由其他的三個字母組合代替。完成重新編碼的藍圖後,再用各種生物科技的方法把不同的基因片段像砌圖一般重新拼湊。

團隊之前也證明, 新的編碼令病毒與宿主(即細菌)之間基因編碼無法配對,因此重新編碼的細菌較能抵抗病毒的入侵。另外,重新編碼的細菌只能在”非標準”胺基酸環境下生存,因此理論上這些細菌並不會污染自然生態及有一定的生物安全性。

團隊把整個大腸桿菌的基因圖譜分為87個區域,每個區域約有5萬個遺傳密碼 (即A丶U丶C或G) 。當中的7組密碼子由其他密碼子代替。總共在3000多個大腸桿菌基因中改變了大概62,000處的密碼子。

那麼,隨著而來的問題是,移除或代替這麼多的密碼子是否會影響生物的正常運作?

團隊驗證了55個區域,即大概63%重新編碼的基因,當中91%保留一定程度的功能,在2229個驗證改動的基因中,只有13處改動的基因令細菌死亡。當然,團隊還需逐一驗證餘下的遺傳密碼,以探究這樣大型的遺傳密碼改造工程對生物本身的影響。但是目前的結果顯示,生物對其基因圖譜重新編碼所帶來的影響,有一定程度的包容和彈性。

這項硏究驗證了從根本上改變基因編碼及大規模處理人造基因圖譜的可能性。理論上甚至乎可以把認為有需要的DNA湊合在一起成為一個新的基因圖譜,也可以說是朝著製造生命的方向進發。雖然這項研究只是在細菌這麼細小的生物嘗試概念上的驗證,但無疑在人造生物的硏究領域上寫下重要的一頁。

說到製造生命以及生物安全性這兩個議題,或許已經不再是單純科技層面的問題,當中牽涉到道德論理的爭議,也是科學家不能逃避的。

 

參考文章:

1. Biologists are close to reinventing the genetic code of life.

2. Ostrov et al. Design, synthesis, and testing toward a 57-codon genome. Science (2016). DOI: 10.1126/science.aaf3639

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