NC | Ribo-seq应用：利用多组学引导进化探索遗传重编码的极限

遗传密码的近乎通用性和简并性为人工合成基因组提供了理论基础，旨在增强生物功能。通过重新分配64个天然密码子中的部分密码子，科学家能够构建对天然病毒具有抗性的生物体，并防止遗传信息在转基因生物与自然界之间交换。

此外，这种基因组重编码技术还为生物合成具有遗传编码的非天然聚合物开辟了道路。然而，尽管基因组重编码具有广泛的应用前景，但早期的研究表明，这种大规模的基因组改造往往会对生物体的适应性产生负面影响。

目前，关于同义密码子替换如何影响细胞稳态、翻译效率及蛋白质折叠的机制尚不明确。因此，如何系统地识别并解决合成基因组中因重编码导致的适应性缺陷，已成为构建具有定制功能和高适应性合成微生物基因组的核心挑战。

2026年6月22日，哈佛医学院George M. Church与Akos Nyerges团队在Nature Communications上发表了题为“Probing the limits of genetic recoding using multi-omics-guided evolution” 的研究论文。该研究揭示了大规模同义密码子替换会通过破坏编码区内隐藏的启动子、产生大量反义转录本等方式，引发广泛且累积的适应性缺陷。

文章索引

【标题】Probing the limits of genetic recoding using multi-omics-guided evolution

【发表期刊】Nature Communications

【发表日期】2026年6月22日

【作者及团队】哈佛医学院George M. Church和Akos Nyerges团队

【IF】15.7

研究结果

一、重编码大肠杆菌基因组的设计与构建

研究者基于低丰度及正交性原则，设计了移除7个密码子的57密码子大肠杆菌基因组，共涉及162,521个碱基变动。

开发了SynOMICS方法，利用CRISPR/Cas9反向筛选和重组工程在recA缺陷菌株中进行大片段替换，有效解决了由于高密度设计错误导致的构建难题。

二、识别并修复致死性设计错误与注释漏洞

通过初级转录组测序发现重编码破坏了多个生长必需基因的内含启动子，并利用DIvERGE靶向诱变和自发演化修复了这些缺陷。

同时，Ribo-seq核糖体印迹分析揭示了此前被忽视的基因注释错误，这些错误导致的未分配密码子会造成核糖体在翻译过程中严重停滞。

三、同义重编码诱发广泛的转录噪音并导致累积性适应性缺陷

随着更多合成片段被整合，菌株适应性持续下降，并表现出多方面的代谢缺陷。

深入的转录组学分析发现，密码子替换会在基因内部意外生成大量新的正向和反向启动子，特别是反向转录本显著增加，这可能通过形成双链RNA干扰基因表达，是导致适应性缺陷的重要原因。

四、多组学揭示重编码诱导的全基因组表达扰动

研究人员开发了一种多组学指导的进化策略，利用Ribo-seq核糖体印迹分析识别表达失调的基因，并进行大规模并行化的基因组编辑以恢复蛋白质生产平衡。

该方法成功在数周内将携带39%合成基因组的菌株生长速率恢复至亲本水平，证明了其在调试复杂合成基因组中的高效性。

总结

本研究通过多组学联用技术深入探讨了同义密码子重编码对大肠杆菌生理状态的影响，揭示了非编码调控元件在编码区内的重要性。研究证明了多组学引导的定向进化是克服合成基因组复杂设计缺陷的强有力工具，为未来设计和制造具有定制功能的合成生物基因组开辟了新路径。