细菌被重新编程,无需使用外来DNA即可“学会”降解塑料

作者: 2025 年 8 月 21 日

马德里,21(欧洲出版社)

由西班牙国家研究委员会(CSIC,隶属于科学、创新和大学部)和巴塞罗那超级计算中心 - 国家超级计算中心(BSC-CNS)领导的团队开发了一种策略,可以对细菌进行基因重编程,而无需像生物技术中经常做的那样插入外部基因。

据CSIC介绍,这项名为“GenRewire”的技术可以让蛋白质在其基因组中重新定位,从而在不损害其自然功能的情况下发展出新的能力。

研究人员指出,基因工程在生物技术中非常常见,它赋予细菌新的能力,例如使其能够生产工业或医学用途的物质,或降解环境污染物。然而,到目前为止,改变细菌细胞功能是通过使用各种技术和元件(例如质粒,一种能够在细菌之间移动的染色体外DNA小分子)将外来遗传物质引入细胞来实现的。

与依赖引入外来DNA的传统基因工程技术相比,发表在《生物技术趋势》杂志上的这项研究提出了一种范式转变。“我们的方法基于一个简单的想法:如果天然蛋白质可以通过计算重新设计来创造新的东西,我们就不需要用外部元素来改变细胞的基因平衡,”催化与石油化学研究所(ICP-CSIC)CSIC研究员、该研究协调员Manuel Ferrer解释说。

为了验证这项已开发的技术,科学家们利用这种方法,使大肠杆菌能够降解纳米级PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)塑料颗粒。这些纳米塑料在我们的日常生活中无处不在,用于包装和纺织工业,并已成为对环境和人类健康产生重大影响的污染物。

这项成果是通过对两种细菌蛋白质进行重新编程而实现的,无需插入外部基因。“我们的方法非常独特,因为它结合了人工智能、超级计算模拟和精确的基因编辑,将新的活性整合到天然蛋白质中,”BSC研究员兼研究协调员Víctor Guallar说道。修饰后的蛋白质取代了基因组中的原始蛋白质,从而使细胞保持生物平衡。

此外,“GenRewire”技术因其操作简单而脱颖而出:它涉及在超级计算机上分析基因组编码的蛋白质,然后使用计算工具对其进行重新编程以执行所需的功能。

BSC 研究员、该研究的第一作者之一 Joan Giménez 补充道:“得益于人工智能结构方法、我们的机械模拟算法以及 MareNostrum 5 的超级计算能力的最新进展,我们仅用三到四周就对虚拟细菌进行了重新编程。”

传统方法需要添加外源基因才能使细菌产生新的功能,而“GenRewire”无需引入外源DNA即可达到同样的效果。“这避免了细菌生长不良或系统不稳定等问题。我们已经证明,可以从内部重新设计细菌,而无需通过外部因素改变其性质,”CSIC催化与石油化学研究所的研究人员、该研究的第一作者Paula Vidal和Laura Fernández解释道。

他们表示:“我们已经证明这项技术可以补充传统的代谢工程,使大肠杆菌等细菌能够降解塑料并将其废物转化为有价值的产品。”

研究人员表示,这种方法可以应用于其他生物体,并成为无需引入外来蛋白质或基因即可进行基因组重编程的关键工具。“例如,将其应用于人类基因组或农作物,不仅可以降低免疫系统排斥的风险,还能帮助克服使用外来DNA时经常出现的法律和伦理障碍。”他们总结道。

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