美科学家制造出最简单的人造合成细胞

美国科学家２４日宣布设计并制造出最简单的人造合成细胞，其基因组是迄今已知最小的基因组，仅包含维持生命必需的基因。这被认为是生命科学领域的突破性进展，将有助推进对生命奥秘的认知。

这项由美国基因组研究先驱克雷格·文特尔领导的研究发表在新一期美国《科学》杂志上，他们的人工合成细胞中仅仅包含４７３个基因，是生命世界中基因数量最少的有机体，但依然具有自我复制能力。相比之下，人类的基因数量超过２万个。

虽然这个合成细胞的基因组很简单，但研究人员强调，他们只弄清楚了其中约三分之二的基因的功能，还有１４９个基因的作用尚不清楚。

文特尔在为此研究举行的电话记者会上说：“我们的研究表明，生命是如此复杂，即便是最简单的有机体也是如此。”

文特尔表示，要回答生命的基础问题，唯一方法是获得最简单的基因组；而要达到这个目的，唯一方法可能是人工合成基因组。因此他们从１９９５年开始努力，其间仅因为参与首个人类基因组测序工作而短暂中断。

２０１０年，文特尔领导的团队合成丝状支原体基因组，然后将其移植入另一种关系密切的细菌里，制造出他们称为Ｓｙｎ１．０的合成细胞。这是在世界上首次制造合成生命，当时曾引起科学界轰动。

现在，研究人员在首个合成细胞的基础上，不断尝试删除其基因组中不必要的基因，最终把Ｓｙｎ１．０中９０１个基因删除约一半，只剩下４７３个基因，取名为Ｓｙｎ３．０合成细胞。

文特尔表示，Ｓｙｎ３．０的基因组还可进一步简化，删掉一些与维持生命无关的基因，但这些基因影响生长速度，删除后细胞数量增长极其缓慢，无法用于实验目的。

至于这项工作带来的启发，他说，一个启发就是认识生命要从整个基因组角度综合来看，而不是独立的基因。“生命更像一个交响乐团，而不是短笛演奏家”。这一理论同样适用于人类基因组，因为他们发现人类多数疾病症状受整个基因组上突变的影响，而不是单个基因。

这项研究成果将有望应用在多个领域，包括生物化学、营养学、农业以及生产新药物与生物能源等。“我认为这是一个新时代的开始，”文特尔说。

3月25日，《Science》杂志在线发表了一篇名为《Designand synthesis of a minimal bacterial genome》的论文，标志着人们向着合成最基本细胞迈出了重大一步。来自美国克雷格文特研究所和加州大学显微镜和成像研究中心多家研究机构的研究人员设计并合成了一个最小的细菌基因组，它只含有维持生命所需的基因，组成它的基因只有473个。

这项工作推进了该团队在2010年所发表的开创性研究；在该研究中，他们构建并启动了第一个可自己复制的人造细菌细胞，它证明了基因组可用电脑设计、在实验室中以化学方法制备并被植入到一个受体细胞而产生一个仅由合成基因组控制的新型、可自我复制细胞的原则。在此之后，这一由CraigVenter和ClydeHutchison领导的团队着手于他们的终极目标（一个从1995年以来就在追求的目标），即合成一个以最简单形式存在的只含有维持生命基因的最基本细胞；这项努力可帮助科学家们了解细胞中每个必需基因的功能。

为了开展这一工作，Venter、Hutchison和同事再次使用了支原体——这是在任何自我复制细胞中拥有已知最小基因组的细菌。2010年，研究人员合成了丝状支原体基因组。在此，研究人员根据现有的文献设计了以8个不同分段存在的假设最小基因组，它们中的每一段都可接受测试以准确地将基因组划分为必需基因或非必需基因。在这一设计-构建-测试过程中，研究人员还寻求发现准必须基因，即那些健壮生长所需但并非生命绝对需要的基因。在一系列的实验中，Venter、Hutchison和同事在众多基因中插入转座子（或外源基因序列）以干扰这些基因的功能，并以此确定哪些基因是细菌总体功能所必需的。他们对该合成、缩减的基因组进行削减，他们重复这样的实验直至再没有基因可被中断，而基因组也已小到尽可能的程度。重要的是，分析显示，某些最初被分类为“非必需”的基因实际上却是第二个发挥相同基本功能的基因；因此，它们是需要留在最小基因组中的成对基因中的一员。一个被称作JCVI-syn3.0的最终版本的基因组由473个基因组成，这是一个到目前为止在自然界发现的比任何能自我复制细胞的基因组都更小的基因组。研究人员设计的最小基因组缺乏所有修饰DNA和限制基因，而大多数基因所编码的是脂蛋白。相反，几乎所有的在基因组中参与读取及表达基因信息的基因以及涉及跨代保持基因信息的基因都被保留。有趣的是，JCVI-syn3.0基因中有约31%的基因的精确生物学功能仍未被发现。然而，这些基因中有若干基因的数个可能的同源物在其它生物体中被发现，提示它们编码的是功能还有待确定的通用蛋白。JCVI-syn3.0平台代表了一个用于探索生命核心功能的多功能工具。