剑桥团队重塑大肠杆菌基因组，仅使用57个密码子，抗病毒能力提升

自然界普遍使用 64 个密码子编码 20 种氨基酸及终止信号，尽管这些密码子存在明显的冗余结构，例如丝氨酸可以由六种不同的密码子编码，多个终止信号也具备相同功能。科学界长期以来对于这套系统是否为生命所必需或仅是进化偶然产物存在争议。如果能够系统性地压缩这套密码子集合，并在维持生命活动的前提下替换其中部分密码子，将为合成生物学和遗传系统的工程化改造提供重要依据，同时也有望构建具有新功能和更强生物安全性的人工生物体系。

在这一背景下，剑桥大学 Jason Chin 领导的研究团队近日在 Science 上发表重大成果，题为“Escherichia coli with a 57-codon genetic code”，他们成功通过 101,605 个同义替换事件，将大肠杆菌的遗传密码表压缩至 57 个功能性密码子，构建出名为 Syn57 的工程化菌株。这一工作标志着在大规模基因组重编码与遗传最小系统重建方面取得实质性进展。研究显示，Syn57 在缺少 7 种常用密码子的情况下仍可稳定存活并具备基础繁殖能力，表明生命体的遗传语法具有高度的可塑性，为进一步探索更小型、更安全、更可控的合成生物平台奠定了坚实基础。

由于多个密码子可编码同一种氨基酸，因此替换一个三联密码子并不会改变蛋白质的组成，但却会影响 RNA 的稳定性。这种稳定性下降可能导致 RNA 表达量和蛋白质合成减少，进而引发细胞死亡。鉴于基因组中某些区域对密码子替换更为敏感，研究人员并未选择一次性替换大量密码子，而是采用逐步验证细菌存活率的策略。

团队首先在一个包含高密度必需基因的 20 kb 基因组区域中测试了压缩可行性，证实选定的七种目标密码子可以完全被其同义密码子替代而不影响存活。随后，他们通过一种模块化组装策略，将整个约 4 Mb 的大肠杆菌基因组划分为 38 个合成片段，逐步替换至宿主基因组中。为了实现这一过程，研究团队开发并使用了一种称为uREXER的新技术，结合 CRISPR/Cas9 定点切割与 λ-Red 介导的重组，使得每轮可替换高达 100 kb 的基因组片段。这一技术显著提升了重编码效率，并在合成过程中保持了较高的准确率。

在替换过程中，团队遇到若干关键区域无法直接重编码的问题，主要由于密码子压缩导致的翻译效率下降和基因重叠区域功能丧失。为此，研究者引入了名为NCS（N-terminal codon sequence）的密码子组合库，对基因起始区域进行优化，以恢复蛋白表达水平。此外，调控序列也经过重新设计，确保表达平衡及调控功能的完整性。通过上述组合策略，最终完成 38个模块的整合，并保持了 97% 的重构事件不发生突变或丢失。

然而，初代 Syn57 菌株的生长速度显著下降，倍增时间由野生型的 1.14 小时延长至 4.6 小时。通过连锁图谱技术分析后，研究者定位到可能的生长抑制区域，如 nuo 呼吸链操纵子，并通过引入新的 N 端密码子序列进行筛选和适应性进化，成功将生长速率提升了约 50%。这显示了在重编码带来的基因表达扰动基础上，生长性能仍可通过系统优化恢复至可用水平。

对构建完成的 Syn57 基因组进行测序验证后，数据显示 101,605 个预设目标密码子中 99.9% 被准确替换，同时完整组装出约 4 Mb 长度的合成基因组结构，保留了绝大多数功能基因。转录组分析显示，尽管全基因组经历了密码子层级的大幅度更改，但基本生命活动得以维持，说明该系统具备良好的适应能力。这一成果不仅实现了对生命遗传语法的最小化重构，也为今后基于密码子重新编程的合成路线提供了可验证的模板。

研究还揭示了这种重编码体系的广泛应用潜力。首先，重构后的菌株展现出显著的病毒抗性，因为常规病毒的遗传物质在 Syn57 内无法被正确翻译，阻断了其复制周期；其次，释放出的七个密码子可以被重新定义，用于编码非天然氨基酸，从而拓展多肽药物、功能材料或合成蛋白的构建能力；更为重要的是，由于其遗传代码不再兼容自然界标准体系，Syn57 菌株具备天然的生物隔离属性，有效避免工程菌基因通过水平转移进入环境微生物群落，为生物安全提供了新思路。

这项工作也为遗传密码进化提供了实验证据。传统观点认为，当前使用的 64 密码子系统可能源自演化路径中的早期偶然选择，属于“冻结事故”。Syn57 的成功构建和生存能力表明，这一密码子体系并非不可更改或最优选择。研究者进一步指出，在当前平台基础上，未来有望构建仅依赖更少密码子或具备扩展功能的遗传系统，推动“非天然生命”体系的发展。

目前，团队正进行下一阶段研究，利用释放出的密码子设计新型合成通路，并进一步提升菌株生长性能，以使其在工业和医疗领域具备更强应用价值。同时，来自哈佛大学的平行项目也在尝试通过全基因组组装方式实现类似构建，但尚处于未公开阶段。剑桥团队凭借其 uREXER 与 GENESIS 等原创策略率先完成全基因组重编码的目标，确立了在该领域的领先地位。

这一成果不仅展现了合成生物学在遗传系统层面进行工程重构的可能性，也为理解生命本质提供了新的视角。通过压缩自然遗传体系并维持其基本功能，Syn57 为探索更精简、更安全、更多功能拓展空间的合成生命体奠定了坚实基础。

1.Robertson WE, Rehm FBH, Spinck M, et al. Escherichia coli with a 57-codon genetic code. Science. Published online July 31, 2025. doi:10.1126/science.ady4368

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