從基因層面來看，地球上所有生命都說著同一種語言。我們都擁有DNA和/或其近親RNA。我們所有的遺傳物質都由同一批基本核苷酸組成，這些核苷酸通常以其全名的首字母來命名——DNA由A、C、G和T組成；RNA由A、C、G和U組成。地球上所有細胞讀取這些字母的方式幾乎相同，因此不同物種的細胞通常能夠讀取彼此的DNA。這就是製藥公司能夠將人類胰島素基因植入細菌和酵母中，從而生產出用於治療糖尿病的胰島素藥物的原理。想看一個令人作嘔的例子嗎？在遺傳學發展的早期，一些生物學家將人類眼睛基因植入果蠅的腿上…結果果蠅的細胞就發育出了果蠅的眼睛。
然而，現在，來自美國幾所大學的科學家團隊找到了一種方法，可以對這種細胞語言進行微小但根本性的改變。這是一種與科學家以往所做的基因工程截然不同的全新技術。
「我們首次創造了一種具有新的或替代代碼的生物體，」耶魯大學生物學家、該研究的主要科學家之一法倫·艾薩克斯告訴《大眾科學》雜誌。
「這就像編寫一個新的作業系統，」加州大學柏克萊分校的生物工程師丹妮爾·圖爾曼-埃爾切克說道，她並未參與這項研究。相較之下，她將先前的基因工程比喻為「增加一段新的軟體」。
在傳統的基因工程中，科學家將完整的基因——由數百個核苷酸組成的連貫序列——導入細胞。他們通常完全不會改變細胞本身的原始基因。與此不同的是，艾薩克斯和他的團隊對大腸桿菌自身的DNA進行了微小而特定的修改。
這種新型基因工程技術可望解決該領域的兩大難題。它能增強細菌的抗感染能力，這對大量生產工程細菌的公司來說意義重大。這其中也包括那些致力於培育用於生產生質燃料或清除污染物的工程細菌的公司。 （沒錯，細菌也會感染！）
它還可以使其他細胞無法讀取經過改造的DNA片段，從而減輕人們對改造基因可能逃逸到環境和野生生物體內的擔憂。這絕非小事：就在今年8月，一個生物學家團隊證明，基因改造水稻能夠將其改造後的基因轉移到附近的雜草中。
一種新型基因改造生物：GRO
艾薩克斯和他的團隊為他們的基因密碼重寫創造了一個新術語。他們稱之為“重編碼”，其結果被稱為“基因重編碼生物體”（GROs），艾薩克斯說，GROs是基因改造生物體（GMOs）的一個子集。
如果仔細計算，艾薩克斯和他的同事所做的改變似乎不多。科學家只改變了大腸桿菌基因組中321個核苷酸，而大腸桿菌基因組大約有450萬個核苷酸。他們也剝奪了該細胞合成一種特定蛋白質的能力。
然而，在一系列實驗中，艾薩克斯的團隊證明，這些微小的變化可以讓大腸桿菌做到兩件主要的新事物。
在一項實驗中，研究團隊為他們的GRO大腸桿菌接種了兩種病毒。病毒通常會劫持細胞的機制來自我複製。然而，GRO大腸桿菌的機制與一般大腸桿菌截然不同，其中一種病毒難以感染這種細菌，而另一種病毒則能正常感染。康乃爾大學的生物工程師朱利葉斯·盧克斯（他並非艾薩克斯團隊的成員）表示，對大腸桿菌基因組進行進一步的重編碼應該能使這種細菌更難被讀取，從而對更多類型的病毒產生更強的抵抗力。
在另一項實驗中，艾薩克斯和他的同事為大腸桿菌添加了基因改造機制，使其能夠合成含有自然界中不存在的成分的蛋白質。通常情況下，生物體內的蛋白質是由20種天然氨基酸的不同組合構成的。多年來，科學家一直致力於合成非天然氨基酸，即NSAA（非標準氨基酸）。他們已經成功地讓細胞利用人工胺基酸合成蛋白質，但這是一個效率低下的過程。艾薩克斯和他的同事們成功地讓大腸桿菌有效率地合成了第21種胺基酸。他們對大腸桿菌DNA所做的改變，恰好消除了先前乾擾非天然氨基酸合成的天然機制之一。
非天然胺基酸的用途在於，它們能幫助科學家創造出具有全新功能的蛋白質。這些蛋白質隨後可用於藥物研發或工業化學反應。艾薩克斯舉例說，安博克斯公司（Ambrx）就利用人工合成胺基酸生產藥物。
此外，由於第21種胺基酸的編碼採用了這種經過改造的遺傳語言，其他細胞應該無法讀取它。這降低了野生細菌或植物獲取第21種氨基酸基因並開始自行合成的可能性。 「你可以想像，這實際上是一種安全的基因改造生物，」艾薩克斯說。艾薩克斯和他的團隊並未測試他們研發的基因改造生物的這項特性，但《大眾科學》採訪的其他生物工程師表示，非基因改造生物幾乎不可能與基因改造生物交換基因。
儘管從數量上看，GRO 的變化並不多，但 Lucks 稱 GRO 在概念上是一項「巨大的突破」。他說：“它真正為徹底重新思考遺傳密碼打開了大門。”
艾薩克斯和他的同事們今天在《科學》雜誌上發表了他們的研究成果。
