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

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

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。


一次解決一個問題


邱契的實驗室中有著長長的黑色實驗桌,放滿了離心機、試管震盪器、成列的玻璃定量吸管和成堆的培養皿。奧斯特羅夫在迷你冰箱大小的培養箱中養了87株正常大腸桿菌,每株都插入了某一段五萬個字母長且重新編碼的DNA片段,她正在測試這些菌株能否存活。她沒有抱持很高的期待,或許演化是基於人類未知的原因而選擇使用那些罕見的密碼子。


出乎意料,大部份的菌株生長良好,其中只有20個DNA片段讓這些微生物無法生長。不過20個還是太多了,如果rE.coli-57要能不怕病毒感染,必須所有的重新編碼片段都正常運作。奧斯特羅夫說:「首先我們要縮小範圍,找出沒有發揮功能的基因。所以我們把一條含有40個基因的片段,切成兩條各有20個基因的片段,然後重複這項實驗。於是我們找到四個可能有問題的基因,接下來再縮小到一個,最後找出可能造成問題的密碼子。」


結果大部份的問題都來自於DNA合成時出的差錯。換句話說,奧斯特羅夫團隊得到的DNA序列和訂購時送去的序列不同,這些問題到最近都還是DNA合成時常見的狀況。奧斯特羅夫回頭求助DNA合成公司,重新得到新的無錯誤DNA序列,替換之後,99%的重新編碼片段都正常運作。看來重新編碼這個點子並不瘋狂。


但是在DNA合成品質控管之外,還有一堆可能和蛋白質與DNA功能有關的問題。奧斯特羅夫得找出那些隱含在演化中、但她還未能了解的問題:為什麼換了一個代表相同胺基酸的密碼子,卻會殺死或傷害生物?


把這些問題找出來後加以排除,就像是在沒有地圖可查看的荒野中開闢新道路。舉例來說,具有第21號重新編碼片段的細菌,生長速度像是用爬的一樣慢,原因是什麼?奧斯特羅夫重新編碼這些DNA片段時,並沒有相關科學文獻可參考,因為他們是頭一個如此重新編碼DNA的團隊。她仔細分析這個片段中所有的基因,比較基因產物和正常細菌的差異。她發現有五個連接在一起的基因雖然保持完整,但是在某種原因下無法發揮功能。


所以現在變成基因開關的遺傳學問題。在基因前面有一段DNA序列,稱為啟動子(promoter),能夠控制後面的基因啟動與否。在比較複雜的生物體中,啟動子和基因的區隔十分嚴格,有明顯的開始和終點,但有時候細菌的基因會互相重疊,某個基因的後端可能是其他基因的前端。奧斯特羅夫發現yceD這個基因的一部份屬於啟動子,能夠控制後面五個基因的開關。當她重新編碼yceD基因時,意外關閉了基因的啟動子。因此她調整yceD上的三個密碼子,讓序列比較接近一個已知的強大啟動子,結果那五個基因恢復活躍表現,細菌也開始正常複製。


奧斯特羅夫在第44號片段上遇到更嚴重的問題:整個菌株都死亡了。研究人員檢查這個區段,找到一個和製造脂肪酸有關的基因accD。重新編碼的細菌完全無法製造出accD蛋白質。奧斯特羅夫分析這段重新編碼的基因,發現問題出在這個基因序列的開頭部份。在DNA中,A鹼基會自然和T鹼基配對、C與G配對(DNA會經由mRNA,把訊息傳到製造蛋白質的核糖體。在RNA中,T鹼基由U鹼基取代,但依然還是能和A鹼基結合)。如果字母以某種方式排列,例如許多A後面接了許多T,那麼核酸分子末端就會形成一段有如彼此黏合的膠帶,阻塞在胞器上面。奧斯特羅夫在電腦上重新設計了accD,把15個重新編碼的密碼子其中10個,改造成同義但是較不容易自行折疊的序列。她把新片段插入細菌中,這株細菌便復活了。


事情就是這樣,研究人員一次解決一個問題,雖然研究的是生物學問題,卻以工程學思維進行,像工程師那樣一直重複著「設計-建造-測試」的循環,不過幸好沒出現讓整個計畫泡湯的問題。奧斯特羅夫說:「到目前為止,我們沒有遇上解決不了的狀況,DNA密碼讓我們有很大的修改彈性。」


讓病毒無法複製


2019年奧斯特羅夫把功能完善的遺傳片段從一株菌合併到另一株菌,讓87株菌組合成八株正常生長的菌株,每株基因組中有1/8片段經過重新編碼。研究人員每次把重新編碼的片段併入菌株時,都會發生新的不相容問題。不過在2019年初春時分,他們很快把八個菌株併為四個,再合為兩個,很快就有100%重新編碼的rE.coli-57菌株。


在這個菌株完成並且能夠正常生長之後,最後一步是要移除細胞內對應已刪除密碼子的tRNA。移除了這些tRNA,細胞仍然可以正常運作,因為其他同義密碼子的tRNA還在。但是對於侵入的病毒來說就不妙了,因為病毒基因上的密碼子沒有經過重新編碼,其中有些密碼子所對應的tRNA已不復存在。沒有tRNA就表示沒有對應的胺基酸會被帶到蛋白質合成序列中所需的位置上,使得合成停止。沒有新的病毒蛋白質,等於沒有新的病毒,病毒DNA只能在細胞中獨自晃蕩,無法複製和造成任何傷害。


奧斯特羅夫打算以類似電影「衝鋒飛車隊續集」的劇情,進行微生物規模的測試。這部電影的主角身陷競技場中,必須打倒一連串的攻擊者。現在這座競技場是一個小玻璃容器,生物學家會把λ病毒置入養著健康rE.coli-57的培養皿中,然後讓它們彼此拼鬥,至死方休。如果rE.coli-57存活,研究人員會再加入其他掠食細菌的病毒。很難想像再怎麼厲害的病毒,可能也難以擊敗rE.coli-57重新編碼後的DNA。不過目前他們還未測試任何病毒,只知道兩者在未來某天會真正進入競技場,只有一個能平安離開。


奧斯特羅夫非常小心謹慎,不願意承諾哪天比賽會開始,因為她還沒有一個完全重新編碼的菌株,不過她相信:「應該很快就會完成,完成的時候我不會默不作聲,我會一手拿著一杯卡琵莉亞(caipirinha),一手打電話給你。」她暗示會以自己喜歡的巴西雞尾酒來慶祝,這個日子可能不遠了。


rE.coli-57能夠不怕病毒,當然值得慶祝,不過就如同奧斯特羅夫和同事在《科學》發表的論文所說,這種細菌將會「成為一種獨一無二的基座,能夠把擴展合成出的功能廣泛應用在生物科技界。」換句話說,這種微生物可以做為靈活合成新類型蛋白質的平台。


這有利於藥物發展。許多癌症藥物和免疫治療藥物都是蛋白質,進入身體後會快速分解,因此如果使用特殊的胺基酸為原料來製造這些蛋白質,將能大幅延長這些蛋白質的分解時間。邱契已經成立了一家新公司,叫做GRO生物科學公司(GRO是genomically recoded organism的縮寫,意思是「基因組密碼重編生物」),以設計這類療法為目的。


重新編碼的生物


幾年後,經由重新編碼DNA而不怕病毒感染的人類細胞,可能會開始蓬勃發展。這樣的細胞應該可以解決在醫學研究裡常用細胞株(例如著名的海拉癌細胞)中持續存在的病毒感染問題。實驗室中,經常以人類細胞做為實驗平台,用來開發新的藥物與測試療法。如果這些細胞受到感染,幾乎不可能把病毒去除,所以科學家除了重做實驗之外,幾乎沒有其他選擇。


如果邱契的實驗進展順利,將可能挽救更多的性命。邱契參與成立了全球性合作組織「生物工程卓越中心」(The Center of Excellence for Engineering Biology),該中心提出的第一項計畫便是重新編碼人類細胞,rE.coli-57顯然會成為這個計畫的基石。


毫不意外,重新設計人類細胞的運作系統讓有些批評者緊張。原因之一,在於這些細胞並非自然生成的細胞。雖然該中心的科學家除了把這種細胞用在培養細胞株,沒有打算用於其他地方,但是依然有可能創造出同樣不怕病毒感染的人類。


美國哥倫比亞大學的病毒學家拉卡尼洛(Vincent Racaniello)認為這個點子可能很糟糕,他在自己的科學部落格上嚴厲批評:「多種密碼子的存在是有意義的,其一是能夠緩衝致死突變。重新編碼人類基因組不可能沒有嚴重副作用。」


因此參與生物工程卓越中心計畫的科學家,完全沒有想要莽撞剪輯嬰兒的DNA。前車之鑑不遠,例如2018年在中國發生的基因剪輯嬰兒事件。這些科學家表示,他們想進行的是嚴謹與公開透明的研究。檢視重新編碼的人類細胞,或許能讓我們更了解最為致命的人類疾病。目前地球上所有人都困在由64種密碼子編寫的系統中,讓造成疾病的病毒有可趁之機。多年後,或許我們能夠決定是否要維持現狀。


奧斯特羅夫沒有參與生物工程卓越中心的計畫,她表示:「得說清楚,我沒有重新編碼人類的DNA。」不過,她說若要在實驗室中探索未知的遺傳領域,安全性非常重要。「當然,密碼子是受到演化篩選後,才成為現在的模樣,但我們也知道當中存在著其他選擇:改變密碼子並觀察結果,讓我們知道哪些改變有成效、哪些沒有,使我們更了解生物學的規則。」知道這些規則後,或許我們便能改造那些依循生物規則的物種,然後為人類所用。