生命科學

打造超級細胞

生物學家正在重建一套DNA編碼系統,要打造能夠抵禦所有病毒的細菌。未來,人類細胞也可能因此再也不怕病毒感染。

撰文/賈可布森(Rowan Jacobsen)
翻譯/鄧子衿
2020-01

生命科學

打造超級細胞

生物學家正在重建一套DNA編碼系統,要打造能夠抵禦所有病毒的細菌。未來,人類細胞也可能因此再也不怕病毒感染。

撰文/賈可布森(Rowan Jacobsen)
翻譯/鄧子衿
2020-01

重點提要
■病毒不僅會傷害人體健康,也會感染製藥界用來生產藥物的細菌,讓製藥界(與其他產業)蒙受數十億美元的損失。
■科學家開啟一項重新編碼細菌DNA的計畫,目標是移除所有會讓細菌受到病毒感染的遺傳途徑。
■若重新編碼的細胞可以正常運作,將成為基石,讓我們得以打造不怕病毒入侵的人類細胞。


病毒降落在細胞上,就有如蜘蛛降落在比牠大上千倍的氣球上。病毒長得像是一個接了針筒的洋蔥,底下有六條細長的腳。這個掠食者的名字是λ(唸做lambda)病毒,它的獵物是大腸桿菌。λ病毒找到獵物後,會進行無數病毒自生命出現後便不斷上演的戲碼:用腳抓住細胞外壁,把針筒狀部位連接到細胞上的孔洞,然後注射病毒DNA至細菌內部。DNA含有複製病毒的指令,而病毒幾乎都具有類似形態:由蛋白質組成的外殼,裡面裝著用來複製更多病毒的藍圖。病毒本身並不具備能夠複製這些病毒成份的工具,因此它們侵入細胞內部,劫持各種胞器來複製自己,直到製造出過多病毒,把細菌的細胞壁擠爆為止。


病毒之所以能夠辦到這件事,在於所有生物都使用了相同的編碼系統,無論是非洲草原上的犀牛或是感染人類鼻子的鼻病毒都一樣。這個系統的基礎是DNA。把DNA密碼注入細胞中,細胞便會利用這些密碼合成蛋白質。在細菌受到感染後,便會開啟病毒的複製過程:新的病毒蛋白質開始合成,λ病毒似乎擁有美好的前景,在未來的幾十分鐘內,千百倍的新病毒將漲破細胞,找尋並感染新的細菌,持續同樣的循環。


突然間,細胞中的胞器全都停止運作,無法解譯病毒的DNA。病毒和細胞之間的爭鬥看似永恆,這樣的錯誤從未發生過,但現在λ病毒的末日降臨了。


病毒無法繼續複製的原因,在於這株大腸桿菌經過改造,所使用的DNA運作系統是地球上前所未見,因此病毒的DNA無法與之相容。這種防禦措施讓λ病毒無能為力,就像微軟視窗系統的電腦病毒進入了蘋果電腦。其他攻擊這種細菌的病毒也會面臨相同的命運。製造這種細菌和新基因編碼的研究人員相信,這項特性會讓細菌再也不怕病毒感染,他們稱這種細菌為rE.coli-57,並且懷抱遠大的計畫。


rE.coli-57是由美國哈佛醫學院的一間實驗室所製造,實驗室主持人是年輕的生物學家奧斯特羅夫(Nili Ostrov)。過去五年來,奧斯特羅夫全心投入重建細菌遺傳系統的每項細節,在充滿化學試劑的實驗室以及螢光燈的照射下,度過疲憊的工作時光。這項計畫可能是史上最精細的基因剪輯計畫,2016年一篇刊登在《科學》的劃時代論文證實,他們為了讓細菌能夠抵禦病毒,必須修改DNA中的14萬8955處。奧斯特羅夫的團隊已完成63%,他們的論文顯示這些細菌表現良好。


三年後,這項重建細胞的工作即將完成,很快就要看到期待中的一幕:培養皿中的細菌將與數百種病毒爭鬥廝殺。如果rE.coli-57活了下來,就可能永遠改變病毒與獵物(包含人類)之間的關係。


病毒數量極多,地球上每平方公尺可能有高達八億個病毒。病毒的麻煩之處在於讓人生病,也會侵擾那些利用細胞來生產商品的產業,包括乳品業和製藥業。現在隸屬於製藥公司賽諾菲(Sanofi)製藥集團的生物科技巨擘基因酵素公司(Genzyme),即是利用細菌生產藥物分子。2009年,病毒破壞了Genzyme位於美國麻州奧斯頓(Allston)的生產線,使得重要藥物供應短缺,該公司市值因此減半。乳品產業利用細菌發酵製造乳酪和優格,病毒也對這個產業造成嚴重損失。如果發酵用的細菌受到病毒感染,所生產的產品就必須毀棄。因此,不怕病毒感染的細菌將可能具有億萬身價。


這種細胞也為「設計藥物」(designer medicine)打開新世界。奧斯特羅夫說:「如果我們要製造精巧的抗體或蛋白質藥物,可添加特別的化學性質來達成,這將改變製藥界。」所有天然蛋白質都由20種胺基酸組成,但rE.coli-57的生理系統能夠利用特殊的胺基酸來生產蛋白質,就像是樂高積木有了新種類的積木塊,可在基本架構上擴展設計。如此生產出的設計蛋白質(designer protein),或許能更精準治療愛滋病或癌症等疾病。


有爭議的是,rE.coli-57一旦成功,就會讓人想進一步改變人類細胞的DNA,以預防病毒感染。這對醫學研究極具價值,因為病毒會感染實驗室培養用來開發並測試藥物的人類細胞株。不過有人懷疑,重新編碼細胞的DNA,是否能讓細胞「正常」運作,或用於科學試驗上。這個概念也讓人提心吊膽,害怕重新編碼DNA會讓我們距離設計人類DNA更加靠近(參與rE.coli-57的研究人員並未參與設計人類DNA的相關計畫)。光要重新編碼實驗室中的人類細胞株,就是一項極端複雜的工作,因為人類的基因組有32億個鹼基對,數量是大腸桿菌的800倍。不過,在rE.coli-57上的試驗是重要且令人震撼的第一步。


替換遺傳密碼


重新編碼DNA之所以能夠不怕病毒侵入,是因為改變了細胞製造蛋白質的語言。所有生物都需要蛋白質執行生理功能,蛋白質是由更小的胺基酸所組成,每種胺基酸都由三個字母組成的DNA密碼所代表,組成這些密碼的字母是DNA的四種鹼基:A、T、C、G,例如TGG代表色胺酸,而CAA代表麩醯胺酸。這些由三個字母組成的密碼稱為密碼子(codon),每個基因相當於一串密碼子的組合。


當這串訊息進入細胞中的工廠「核糖體」,上面的密碼子便會和轉移RNA(transfer RNA, tRNA)配對。tRNA的其中一端能夠與特定的密碼子結合,另一端則連接了某一種特定的胺基酸。當一連串密碼子通過這個蛋白質的組裝生產線,tRNA上的胺基酸便會串在一起,直到蛋白質完成組裝為止。


不過這個系統具有一項重要特點:存在許多「冗餘」(redundancy)。從A、T、C、G四種鹼基中挑三個排列組合,可得到64種密碼子,但胺基酸只有20種,所以大部份胺基酸都有多種密碼子。例如AGG與CGA都代表精胺酸,有些胺基酸甚至具有六種密碼子。


在2004年,奧斯特羅夫的老闆、哈佛大學的遺傳學家邱契(George Church)開始思考是否所有的密碼子都是絕對必要?如果大腸桿菌基因組中所有的AGG都改成CGA會發生什麼事?由於兩者都代表精胺酸,因此大腸桿菌應該可以正常製造出所有蛋白質。不過如果和AGG對應的tRNA也從細胞中移除了,那麼AGG密碼子將會中斷蛋白質的製造過程。


邱契在思考移除某些tRNA所可能引發的狀況時,靈光一現,他說:「我發現這個做法或許可以創造一個極具潛力的優勢──讓細胞不怕病毒的感染。」λ病毒進行複製的方法,是讓細胞解讀病毒基因的序列,製造出病毒的蛋白質。如果細胞中對應AGG的tRNA遭到移除,那麼所有具備AGG密碼子的病毒基因在製造蛋白質時都會停下來,等待那已經不存在的tRNA,也就無法製造出用來組成病毒的蛋白質。


病毒演化速度極快,邱契推測它們很快就能夠解決少了一種tRNA的問題。不過如果移除足夠多種密碼子和tRNA,那麼病毒就幾乎不可能隨機得到能夠使用重編密碼的正確突變組合。大腸桿菌有七種密碼子比較罕見,分佈在3548個基因中,平均每個基因中出現17次。如果和這些密碼子對應的tRNA全都移除了,那麼病毒需要產生六萬個新序列,每個序列都需要在正確位置上有正確的替代密碼,這樣的狀況不可能發生。


在2004年,這套劇本只是邱契閒來無事的念頭而已。當時要改變某個生物的一個基因都夠困難了,更別說是剪輯數千個基因,要把其中某些密碼子全部刪除,根本是不可能的任務。但是到了2014年,技術突破讓這個念頭有了想像空間。邱契開始尋找能夠把所需技術組織起來,並且推動這項史上最大基因剪輯計畫的人。


就在此時,奧斯特羅夫到邱契的實驗室擔任博士後研究員。如果邱契是rE.coli-57的設計師,那奧斯特羅夫便是這項計畫的工程師和總承包者。奧斯特羅夫具有豐富的分子工程經驗,她在以色列長大,後來進入特拉維夫大學就讀,當時她使用含有金屬顆粒的胺基酸來改造蛋白質,並把這些蛋白質連接在一起,形成一條能夠通電的奈米電線。邱契回憶道:「奧斯特羅夫做的事情令人驚歎,讓我了解到我們可以利用生物學製造有用的東西。」她後來在美國哥倫比亞大學取得博士學位,那時她改造了麵包酵母菌,當這種酵母菌偵測到致病微生物時就會產生紅色色素。她的這項成果可以用於偵測霍亂,因此贏得了比爾蓋茲夫婦基金會的「偉大挑戰研究計畫獎」(Grand Challenge Exploration Award)。


這份資歷頗為亮眼,但是邱契的計畫更加困難。大腸桿菌較為罕見的七種密碼子在基因組中出現了6萬2214次,若要重新編碼,需改變14萬8955個DNA字母。雖然新聞媒體常說基因剪輯有多麼快速便捷,但沒有任何基因剪輯工具能夠一次改變那麼多DNA。


突破現狀的解決方案是DNA合成:從無到有合成具有重編密碼的大腸桿菌基因組。利用特殊的「DNA列印機」以生物化學的方式合成DNA,像是彩色印表機一樣,有A、T、G、C四種噴頭。現在有專門的DNA合成公司,能夠準確製造出4000個字母長的DNA。


2015年,奧斯特羅夫團隊從資料庫中下載了標準的大腸桿菌基因組到電腦裡。這個序列有400萬個字母,研究人員要改變這個序列中的6萬2214個位置,把七種罕見的密碼子改成其他具有相同意義的密碼子。為了安全起見,他們也改變了細菌中的一些基因,使得這種細菌必須要依賴某種合成胺基酸才能夠生存。科學家在培養基中添加這種合成胺基酸,但是自然界並不存在這種合成胺基酸,因此這種細菌一旦逸出實驗室就會死亡。


研究人員在電腦螢幕上列出新的rE.coli-57基因組序列,並把400萬個字母剪切為一條條4000個字母長的DNA片段(片段之間有部份重疊),然後把檔案寄給DNA合成公司。奧斯特羅夫說:「我們在電腦上剪切這些序列,就像是在編輯WORD文件檔案。」DNA合成公司把DNA合成完畢後,用快遞寄回實驗室,研究團隊把這些4000個字母長的片段組合成87個大片段,每個大片段有五萬個字母,約含有40個基因。


不過,這些片段只是遺傳密碼,研究人員需要細胞才能夠讓這些密碼活起來,但是沒有人知道怎樣才能憑空製造出一個細胞。奧斯特羅夫採取循序漸進的方式,從一群正常的大腸桿菌開始,一次用一條重新編碼的DNA片段,取代這些細菌基因組中對應的片段。每次取代之後,他們都測試這些接受過移植片段的細菌能否活下來。.....