A swapped genetic code prevents viral infections and gene transfer

遗传密码 生物 基因 转移RNA 基因组 遗传学 计算生物学 氨基酸 核糖核酸
作者
Ákos Nyerges,Svenja Vinke,Regan Flynn,Siân V. Owen,Eleanor A. Rand,Bogdan Budnik,Eric C. Keen,Kamesh Narasimhan,Jorge A. Marchand,Maximilien Baas-Thomas,Min Liu,Kangming Chen,Anush Chiappino-Pepe,Fangxiang Hu,Michael Baym,George M. Church
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:615 (7953): 720-727 被引量:37
标识
DOI:10.1038/s41586-023-05824-z
摘要

Engineering the genetic code of an organism has been proposed to provide a firewall from natural ecosystems by preventing viral infections and gene transfer1-6. However, numerous viruses and mobile genetic elements encode parts of the translational apparatus7-9, potentially rendering a genetic-code-based firewall ineffective. Here we show that such mobile transfer RNAs (tRNAs) enable gene transfer and allow viral replication in Escherichia coli despite the genome-wide removal of 3 of the 64 codons and the previously essential cognate tRNA and release factor genes. We then establish a genetic firewall by discovering viral tRNAs that provide exceptionally efficient codon reassignment allowing us to develop cells bearing an amino acid-swapped genetic code that reassigns two of the six serine codons to leucine during translation. This amino acid-swapped genetic code renders cells resistant to viral infections by mistranslating viral proteomes and prevents the escape of synthetic genetic information by engineered reliance on serine codons to produce leucine-requiring proteins. As these cells may have a selective advantage over wild organisms due to virus resistance, we also repurpose a third codon to biocontain this virus-resistant host through dependence on an amino acid not found in nature10. Our results may provide the basis for a general strategy to make any organism safely resistant to all natural viruses and prevent genetic information flow into and out of genetically modified organisms.
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