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,Elizabeth R. 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:14
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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