在大自然中，生物的基因组可利用64个密码子编码蛋白质的合成，并能从多达6个同义编码子中选择1个有义密码子来编码每个氨基酸。同义密码子具有多样性特点，并可能在基因组的不同位置具有不同的作用。已有研究发现，许多同义替换是有害的，同义密码子的改变会影响mRNA的折叠，蛋白的表达和共翻译蛋白折叠。

5月16日，剑桥大学的科学家在《自然》发表了合成生物学的重磅研究成果。该研究团队证明，通过在基因组范围内用定义的同义密码子替换目标密码子，用于编码标准氨基酸的密码子数目可以减少。基于此，该研究团队通过高保真人工合成技术，将大肠杆菌4Mb的基因组被替换为合成基因组，该大肠杆菌变体只有61个密码子，打破了传统生命体中64个密码子编码蛋白质的认知。该文章标题为“Total synthesis of Escherichia coli with a recoded genome”。

图1. 该文章发表在《自然》

研究团队通过合成基因组构建了一种可定义的重编码和重构方案，该方案只需在7个位置上进行简单的矫正，就可以替换基因组中已知的两个同义密码子和一个终止密码子。为此，研究人员设计了开放阅读框（ORF），重新编码了18,214个密码子，并成功将大肠杆菌中丝氨酸密码子TCG、TCA替换为同义密码子AGC、AGT，琥珀密码子TAG替换为TAA。最终构建出一株只有61个密码子的大肠杆菌。该大肠杆菌可利用59个密码子编码20个氨基酸，并可删除此前必需的转移RNA。

研究中，合成基因组被分成8个部分（A至H），每个部分长约0.5Mb。每个部分又分成4~5个片段，可产生37个91kb~136kb的片段。研究人员将这些合成片段放置在非必需基因之间的基因区域，将片段进一步打断成为9~14个长度约为10kb的片段。经过试验验证和方案优化，研究人员最终可在基因组范围内将全部的UCG、UCA、UAG都替换为同义密码子。

图2. 大肠杆菌Syn61中同义密码子的压缩替换。

在基因组的整合研究中，研究团队利用了细菌接合的方法，并成功替换了大肠杆菌1.8万个目标密码子，该菌株被命名为Syn61。在Syn61中缺失了编码tRNASerUGA的serT，编码tRNASerCGA的serU和编码RF1的prfA这三个必需基因，表明同义密码子被成功压缩。据悉，该过程引入了8个非预期突变，研究人员表示这不影响重编码。

图3. 大肠杆菌Syn61的生物学特征。

最后，研究团队对Syn61的部分性状进行了检验。研究结果显示，在LB培养基中，Syn61繁殖速度是原菌株的1.6倍，其菌体长度略长于原菌株。在蛋白组检测中未发现明显差异。研究团队表示，将在后续研究中描述Syn61中同义密码子替换的后果，并研究其他重新编码方案。

此前，有大量的重编码方案理论，但并非所有的重新编码方案都是可行的。有研究仅能在基因组中重新编码定义83个(0.43%)目标密码子，该研究利用重构和重新编码方案合成了新的基因组，并能完成全基因组范围内的同义密码子替换。该研究方案可定向、无缝稳健的整合合成基因组，为未来的基因组合成提供了蓝图，也为重编码多种非标准氨基酸甚至合成非标准氨基酸高聚物奠定了基础。

参考资料：

Total synthesis of Escherichia coli with a recoded genome

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1192-5