改变遗传密码

( 哈佛大学医学院遗传学教授乔治·丘奇 )

7月15日出版的《科学》（Science）杂志发表了一篇研究报告，题目叫做《全基因组密码子的精确替换》。普通读者肯定不会对这个拗口的标题产生任何兴趣，但这篇论文意义重大，因为这是科学家第一次试图改变生命的遗传密码。甚至有媒体将其解读成：科学家试图扮演上帝，创造出自然界没有的全新生命！

这到底是怎么回事呢？让我们从遗传密码说起。

大家都知道DNA是遗传物质，蕴含了生命的所有信息。DNA是由4种核苷酸首尾相连组成的长链，它们分别简称为A、T、C、G，生命信息就蕴含在这4个字母的不同组合中。与此类似，蛋白质也是一条长链，由20个氨基酸首尾相连而成，不同的氨基酸组合决定了蛋白质的性质，进而决定了生命的特征。

DNA的功能就是指导细胞合成蛋白质，DNA链和蛋白质链之间存在着一一对应的关系，这种对应关系就是大家常说的遗传密码，也可以称之为“生命的语言”。

令人惊讶的是，生命的这套语言系统一点也不复杂。简单说，DNA分子链的每3个字母对应一种氨基酸，这个3字母组合被称为“密码子”（Codon）。用简单的数学知识推导一下就会知道，ATCG这4个字母可以组成64种不同的密码子，比氨基酸的总数要多。于是每个氨基酸都会有不止一个密码子与之相对应，比如组氨酸就有两个密码子与其对应，它们分别是CAT和CAC。这两个密码子互为“多余”，意思是说，缺了其中任何一个都没有关系。

另外还有3个密码子（TAA、TAG和TGA）比较特殊，它们叫做终止子。顾名思义，终止子代表蛋白质的结尾，当细胞遇到终止子时便会终止蛋白质的合成。

遗传密码是在上世纪60年代被破解出来的，这项成果当年轰动了全世界。更令大家兴奋的是，自那时起科学家们还没有发现例外，也就是说，地球上的所有生命都使用同一套遗传密码！这一事实不但为进化论提供了最有力的证据，还为遗传工程提供了可能性。想想看，如果不同的生物使用不同的遗传密码，那么转基因这项技术就很难实现了。

随着基因工程技术的进步，科学家们取得了一个又一个令人不可思议的成就，但却一直没人试图修改遗传密码，因为这么做撼动了整个生命系统的基石，操作起来异常困难。哈佛大学医学院的遗传学教授乔治·丘奇（George Church）一直想啃啃这块硬骨头，2004年的时候他遇到了麻省理工学院（MIT）的副教授乔·贾克布森（Joe Jacobson），两人一拍即合，决定共同朝这个目标发起冲击。经过一系列艰苦的试验，他们终于摸索出一套方法，有望最终实现这一目标。

说起来，实现这个目的有两种不同的思路，美国“科学狂人”克雷格·文特尔（Craig Venter）试图从DNA合成开始，再造一个全新的生命，实践证明这个思路很不成熟，距离成功还相当遥远。丘奇教授的方法则比较实际，他只是对细菌的DNA做一些改动，而不是从头做起。为此他发明了“多重自动基因工程技术”（MAGE），巧妙地把大肠杆菌基因组中含有的314个终止子（TAG）全部替换成另一个终止子（TAA）。因为这两个终止子的功能是一样的，互为“多余”，这么做并不会杀死大肠杆菌，却可以把TAG空出来，将来可以根据需要将其任意修改成其他密码。

《科学》上的这篇论文其实只是这项技术的第一步，但已经足够轰动了。剩下的事情相对简单，实现目标是迟早的事情。

值得一提的是，丘奇教授之所以花费这么大的心血修改大肠杆菌的遗传密码，并不是为了体验“扮演上帝”的快感，而是为了解决基因工程中遇到的三大难题，具有很高的实用价值。

首先，天然的蛋白质功能有限，原因在于细菌本身只有20种氨基酸，巧妇难为无米之炊。化学家们已经合成出了超过100种自然界没有的氨基酸，可以帮助科学家实现很多特殊的功能，比如让细菌吃掉泄漏的石油，或者提高光合作用效率等等。但细菌本身的遗传密码是不认这些新氨基酸的，这就限制了科学家的想象力。如果能够修改遗传密码，就可以让细菌利用这些设计出来的氨基酸，生产出自然界没有的蛋白质来。

其次，基因工程的天敌就是噬菌体，这种简单生命可以被看成是细菌的病毒，基因工程菌株一旦被它们感染，很难消除。比如曾经有一家美国生物技术公司的菌株被噬菌体感染，造成了上千万美元的损失。如果菌株的遗传密码被换掉了，噬菌体就再也没办法感染菌株了，两者不兼容。

最后，也是让普通老百姓最担心的一个潜在危险，就是基因扩散。同样，如果采用自然界没有的遗传密码来设计菌株，就再也不用担心基因扩散了，因为扩散出去的基因不会被任何生命系统识别，因此也就不会有任何危险。■（文 / 袁越） 遗传密码生物技术氨基酸dna科学科普改变密码遗传