科學(xué)家合成“最小”生命體

科學(xué)家合成“最小”生命體

當(dāng)談到基因組的大小時，一種被稱為衣笠草的罕見日本植物無疑是當(dāng)下的重量級冠軍——其脫氧核糖核酸(DNA)數(shù)量是人類的50倍。在天平的另一端，一個新的輕量級紀錄保持者如今誕生在美國加利福尼亞州的一個培養(yǎng)皿中。在2016年3月25日出版的《科學(xué)》雜志中，由基因組測序先驅(qū)Craig Venter率領(lǐng)的研究人員報告稱，他們設(shè)計并制造出一種在自由生物體中具有最小基因組，以及最少基因的細菌，但卻依然具有自我復(fù)制能力。

這種被稱為Syn 3.0的新有機體的基因組僅留下了生存和繁殖所必需的473個基因。相比之下，人類的基因數(shù)量超過2萬個。哈佛大學(xué)合成生物學(xué)家George Church表示：“這是一項杰作。”科學(xué)家認為，這是生命科學(xué)領(lǐng)域的突破性進展，將有助推進對生命奧秘的認知。

微生物流線型的遺傳結(jié)構(gòu)激起了進化生物學(xué)家和生物技術(shù)專家的興趣，他們預(yù)期一個接一個地添加基因便能夠研究這些基因的作用。劍橋市麻省理工學(xué)院合成生物學(xué)家Chris Voigt表示：“這是創(chuàng)建一個基因組被完整定義的活體細胞的重要步驟。”但是Voigt和其他科學(xué)家指出，目前距離完整定義依然還很遙遠，這是因為Syn 3.0有149個基因——大約為1/3——依然不知其功能為何。研究人員的首要任務(wù)是探索這些基因在生物體中扮演的角色，從而有望為關(guān)于生命的基本生物學(xué)帶來新的認識。

就像Syn 3.0的名稱所暗示的，它并非Venter制造的首個合成生物體。Venter說：“我們的研究表明，生命是如此復(fù)雜，即便是最簡單的有機體也是如此。”Venter表示，要回答生命的基礎(chǔ)問題，唯一方法是獲得最簡單的基因組；而要達到這個目的，唯一方法可能是人工合成基因組。因此他們從1995年開始努力，其間僅因為參與首個人類基因組測序工作而短暫中斷。

2010年，Venter的研究團隊報告說，他們合成了絲狀支原體的單獨染色體(被稱為Syn 1.0)，并將其移植到另一種山羊支原體中。經(jīng)過幾次失敗的嘗試，研究人員最終發(fā)現(xiàn)，這種合成的微生物能夠正常生成蛋白質(zhì)。

在當(dāng)前的工作中，Venter與J. Craig Venter研究所的Clyde Hutchison等人通過剝離Syn 1.0攜帶的不必要的基因，從而嘗試確定生命所需的最小基因集合。

研究人員最初分為兩個團隊，每個團隊都有一個相同的任務(wù)——利用所有可用的基因組知識設(shè)計一種具有假定最小基因組的細菌染色體。隨后兩者被合成并移植到山羊支原體中，從而看看是否會生成一個有活力的生物體。

“最大的新聞是我們失敗了。我很驚訝?！盫enter說，“我們當(dāng)前的生物學(xué)知識尚不足以設(shè)計并構(gòu)建一個活的有機體?！?/p>

于是，研究人員在首個合成細胞的基礎(chǔ)上，不斷嘗試刪除其基因組中不必要的基因，最終把Syn 1.0中901個基因刪除約一半，只剩下473個基因，即Syn 3.0。

Venter表示，Syn 3.0的基因組還可進一步簡化，刪掉一些與維持生命無關(guān)的基因，但這些基因影響生長速度，刪除后細胞數(shù)量增長極其緩慢，無法用于實驗?zāi)康摹?/p>

至于這項工作帶來的啟發(fā)，Venter說，“一個啟發(fā)就是認識生命要從整個基因組角度綜合來看，而不是獨立的基因。生命更像一個交響樂團，而不是短笛演奏家”。這一理論同樣適用于人類基因組，因為他們發(fā)現(xiàn)人類多數(shù)疾病癥狀受整個基因組上突變的影響，而不是單個基因。

這項研究成果將有望應(yīng)用在多個領(lǐng)域，包括生物化學(xué)、營養(yǎng)學(xué)、農(nóng)業(yè)以及生產(chǎn)新藥物與生物能源等。“我認為這是一個新時代的開始”，Venter說。

Venter表示：“我們還不能說這就是最終的最小基因組?！苯刂聊壳?，Syn 3.0絕對是這個世界上新的輕量級冠軍。

[關(guān)毅 編譯]