科學家人工合成最小細菌:基因合成生物體成可能

更新時間：2022-05-04 13:54:53 所屬欄目：基因組 作者：林豪清

科學家合成了一個細菌基因組，只包括生命所必需的基因

北京時間3月29日消息，據國外媒體報導，科學家在實驗室中制造了一個人工細菌基因組，只包括生命所需的最少量基因。這一成果使得為了特定任務——如清除石油——而定制基因組的合成生物體成為可能。

這種人工細菌能夠代謝營養物質并自我復制（分裂和增殖）。它只具有473個基因，相比之下，自然界中的細菌往往具有數千個基因。不過，研究團隊目前還不知道該基因組中149個基因的確切功能。

「我們展示了生命可以有多么復雜，即使是最簡單的生物體，」克雷格·文特研究所（J. Craig Venter Institute，JCVI）的創始人兼執行長克雷格·文特說，「就這一層面而言，這些發現還是非常粗陋的?！惯@項研究便是由克雷格·文特研究所的團隊完成。

故事得從一類被稱為支原體（Mycoplasma）的細菌說起。這類細菌具有自然界中最小的基因組，往往會寄生在人類和其他哺乳動物體內?？死赘瘛の奶胤Q，他和該研究的另一位作者，同樣來自JCVI的克萊德·哈欽森（Clyde Hutchison），曾經在20世紀90年代就討論過如何回答生命功能的基本問題。他們的結論是，有必要打造一種基因組盡可能小的人工生命。

1995年，其他研究者也想到了這種人工生物體的必要性，并估計最小也需要156個基因。這一結論被證明是錯誤的。JCVI的研究團隊使用絲狀支原體（M.

mycoides）的基因組來制造細菌。這種細菌的基因組于2010年合成成功，成為第一種使用人工基因組自我復制的細胞?？死赘瘛の奶匮芯克鶎⑦@種細菌稱為「syn1.0」。不過，這種細菌的脫氧核糖核酸（DNA）中具有110萬個鹼基對，共901個基因。

研究團隊最新制造的細菌具有531000個鹼基對，共473個基因。為了減少基因的數目，團隊使用syn1.0的基因組作為模板，設計了一組可能的細菌基因 組，并將它們分解為更短的片段。為了找出哪些基因對生命是絕對必需的，科學家插入了轉座子的基因序列，從而干擾某個給定基因的功能。如果經過這一過程的細

胞還能存活，那就可以認為這種基因是非必需的，然后就可以將其剪掉。相反，如果細胞因此死亡，就意味著被干擾的基因是必需的。

克雷格·文特稱，現實中的工作并沒有如此簡單。有時候單獨一個基因可以被移除，但是當它與另一個基因在一起時，就變成了必需的基因。文特用飛機來打比方：「如果你對飛機一無所知，那么當你看一架波音777的時候……你移走右機翼，這架飛機還可以起飛和降落，這時候你可以說它不是必需的，而只有當你將第二個機翼移走時，你才會真正意識到它的必需性?！?/p>

最終，研究團隊合成了一個可以移入另一個支原體細菌（原先的基因組被移除）的基因組，新的細胞可以像正常細胞一樣生長和存活。他們將這一細菌命名為syn3.0。

研究人員補充道，生命所必需基因的最低數量并不是固定的，而是取決于最初所用的生物體。例如，如果一開始用的藻類物種，那所得到的結果就將非常不同。哪些基因是否必需還可能取決于細胞或細菌所處的環境。

舉例來說，在生殖器支原體（Mycoplasma genitalium）的早期工作中，培養基同時含有果糖和葡萄糖。在這樣的環境中，敲除一個運輸果糖的基因不會有什么影響，敲除運輸葡萄糖的基因也沒什么影響。但是，如果兩個基因都被敲除，那細胞就會死亡。因此，基因的必需性并不是一個「非全有即全無」的問題。

哈欽森是該研究的第一作者，也是JCVI的知名研究人員。他指出，最小基因組可能還取決于人們想要細胞做的事情——一個在黑暗中發光的細菌所具有的最小基因組就與其他細菌不同?！复嬖谥S多最小基因組，」文特說道。

Maria Lluch Senar是西班牙巴塞隆納基因組調控中心（Center for Genomic

Regulation）的研究員和生物技術學家。她表示，文特研究所的成果令人興奮，因為他們揭示了一種新的設計基因組的方法，比目前流行的嘗試試錯法快得多?！竿ㄟ^這種方法，你可以鑑別出想要的最小基因組，」她說，對于給定的功能，「用這種技術，你可以定義最好的DNA片段組合方式……你可以后期再重新組合，生成能夠被檢測到的不同分子?！?/p>

「理論上，我們可以插入成套的基因，本質上創造出任何生物體，」文特說，「這將成為一種重要的實驗工具?！挂簿褪钦f，該技術具有非常廣闊的前景，可以用來制造出用于特定目的的細菌，從吞食石油到制造生物燃料。

共同作者、文特研究所的助理教授丹·吉布森（Dan Gibson）說：「我們的長期目標是設計并制造出合成生物體，滿足你所需的特定功能要求，并預測出最終的效果?！顾€補充道，這種最小的人工細胞，將為你所需的工作提供最大的能量，而且具有更少的突變可能，并更容易進行基因工程改造。

添 加成套基因的方法或許還能幫助我們了解某些細菌演化的方式，甚至是更廣泛的生命演化方式。哈欽森說：「我們可能會剪刀一些發生在演化早期的過程。但是，支 原體基因組之所以小，并不是因為它們原始，而是因為它們從一個有著幾千個基因的細胞演化而來，它們丟失了那些在它們所處環境中不需要的基因?！?/p>

克雷格·文特說，研究計劃還將繼續在合成基因組中添加基因，以確定那些未知基因的功能?！肝覀兿胍_到的是百分之百理解這種生物的基因，而不是只理解66%?！梗ㄈ翁欤?/p>

責編：李文瑤

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