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科學(xué)家合成“最小”生命體

2016-02-08 16:25關(guān)毅
自然雜志 2016年3期
關(guān)鍵詞:生物體生物學(xué)家支原體

科學(xué)家合成“最小”生命體

當(dāng)談到基因組的大小時(shí),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(jí)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(gè)新的輕量級(jí)紀(jì)錄保持者如今誕生在美國(guó)加利福尼亞州的一個(gè)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(cè)序先驅(qū)Craig Venter率領(lǐng)的研究人員報(bào)告稱,他們?cè)O(shè)計(jì)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(xì)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(jī)體的基因組僅留下了生存和繁殖所必需的473個(gè)基因。相比之下,人類的基因數(shù)量超過2萬個(gè)。哈佛大學(xué)合成生物學(xué)家George Church表示:“這是一項(xiàng)杰作?!笨茖W(xué)家認(rèn)為,這是生命科學(xué)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展,將有助推進(jìn)對(duì)生命奧秘的認(rèn)知。

微生物流線型的遺傳結(jié)構(gòu)激起了進(jìn)化生物學(xué)家和生物技術(shù)專家的興趣,他們預(yù)期一個(gè)接一個(gè)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(gè)基因組被完整定義的活體細(xì)胞的重要步驟?!钡荲oigt和其他科學(xué)家指出,目前距離完整定義依然還很遙遠(yuǎn),這是因?yàn)镾yn 3.0有149個(gè)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(rèn)識(shí)。

就像Syn 3.0的名稱所暗示的,它并非Venter制造的首個(gè)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(jiǎn)單的有機(jī)體也是如此?!盫enter表示,要回答生命的基礎(chǔ)問題,唯一方法是獲得最簡(jiǎn)單的基因組;而要達(dá)到這個(gè)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?yàn)閰⑴c首個(gè)人類基因組測(cè)序工作而短暫中斷。

2010年,Venter的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告說,他們合成了絲狀支原體的單獨(dú)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(gè)團(tuán)隊(duì),每個(gè)團(tuán)隊(duì)都有一個(gè)相同的任務(wù)——利用所有可用的基因組知識(shí)設(shè)計(jì)一種具有假定最小基因組的細(xì)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(huì)生成一個(gè)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(shí)尚不足以設(shè)計(jì)并構(gòu)建一個(gè)活的有機(jī)體?!?/p>

于是,研究人員在首個(gè)合成細(xì)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(gè)基因刪除約一半,只剩下473個(gè)基因,即Syn 3.0。

Venter表示,Syn 3.0的基因組還可進(jìn)一步簡(jiǎn)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(zhǎng)速度,刪除后細(xì)胞數(shù)量增長(zhǎng)極其緩慢,無法用于實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

至于這項(xiàng)工作帶來的啟發(fā),Venter說,“一個(gè)啟發(fā)就是認(rèn)識(shí)生命要從整個(gè)基因組角度綜合來看,而不是獨(dú)立的基因。生命更像一個(gè)交響樂團(tuán),而不是短笛演奏家”。這一理論同樣適用于人類基因組,因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)人類多數(shù)疾病癥狀受整個(gè)基因組上突變的影響,而不是單個(gè)基因。

這項(xiàng)研究成果將有望應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域,包括生物化學(xué)、營(yíng)養(yǎng)學(xué)、農(nóng)業(yè)以及生產(chǎn)新藥物與生物能源等?!拔艺J(rèn)為這是一個(gè)新時(shí)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(duì)是這個(gè)世界上新的輕量級(jí)冠軍。

[關(guān)毅 編譯]

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