人工合成最小细菌 推进认知生命奥秘

　　衣笠草

　　（又称日本重楼，Paris japonica）为黑药花科重楼属植物种。衣笠草是具有40条染色体的八倍体，疑为四个种的异源多倍体杂交种，在目前世界上所有生物体中拥有已知最长的基因组，含有约1490亿个碱基对。

　　当谈到基因组的大小时，一种被称为衣笠草的罕见日本植物无疑是当下的重量级冠军——其脱氧核糖核酸（DNA）数量是人类的50倍。而在天平的另一端，一个新的轻量级纪录保持者如今诞生在美国加利福尼亚州的一个培养皿中。

　　最小基因组及最少基因细菌仍具有自我复制能力

　　在3月25日出版的《科学》杂志中，由基因组测序先驱Craig Venter率领的研究人员报告称，他们设计并制造出一种在自由生物体中具有最小基因组，以及最少基因的细菌，但却依然具有自我复制能力。

　　这种被称为Syn 3.0的新有机体的基因组仅留下了生存和繁殖所必需的473个基因。相比之下，人类的基因数量超过2万个。哈佛大学合成生物学家George Church表示：“这是一项杰作。”科学家认为，这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。

　　有望为关于生命的基本生物学带来新的认识

　　微生物流线型的遗传结构激起了进化生物学家和生物技术专家的兴趣，他们预期一个接一个地添加基因便能够研究这些基因的作用。剑桥市麻省理工学院合成生物学家Chris Voigt表示：“这是创建一个基因组被完整定义的活体细胞的重要步骤。”但是Voigt和其他科学家指出，目前距离完整定义依然还很遥远，这是因为Syn 3.0有149个基因——大约为1/3——依然不知其功能为何。研究人员的首要任务是探索这些基因在生物体中扮演的角色，从而有望为关于生命的基本生物学带来新的认识。

　　从1995年着手研究

　　就像Syn 3.0的名称所暗示的，它并非Venter制造的首个合成生物体。Venter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。”Venter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，Venter的研究团队报告说，他们合成了丝状支原体的单独染色体（被称为Syn 1.0），并将其移植到另一种山羊支原体中。经过几次失败的尝试，研究人员最终发现，这种合成的微生物能够正常生成蛋白质。

　　设计并构建活的有机体终失败

　　在当前的工作中，Venter与J. Craig Venter研究所的Clyde Hutchison等人通过剥离Syn 1.0携带的不必要的基因，从而尝试确定生命所需的最小基因集合。

　　研究人员最初分为两个团队，每个团队都有一个相同的任务——利用所有可用的基因组知识设计一种具有假定最小基因组的细菌染色体。随后两者被合成并移植到山羊支原体中，从而看看是否会生成一个有活力的生物体。

　　“最大的新闻是我们失败了。我很惊讶。”Venter说，“我们当前的生物学知识尚不足以设计并构建一个活的有机体。”

　　于是，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Syn 1.0中901个基因删除约一半，只剩下473个基因，即Syn 3.0。

　　Venter表示，Syn 3.0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。

　　研究成果有望应用在多个领域

　　至于这项工作带来的启发，Venter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，”Venter说。

　　Venter表示：“我们还不能说这就是最终的最小基因组。”但截至目前，Syn 3.0绝对是这个世界上新的轻量级冠军。

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