Science:重大突破!構建出有史以來生命所需最小基因組

2020-12-05 生物谷

生物谷編者註：為了避免生物學概念上混亂，生物谷小編先梳理一下相關概念。支原體是一種類似細菌但不具有細胞壁的原核微生物，能在無生命的人工培養基上生長繁殖，也是目前發現的最小的最簡單的原核生物。它不屬於狹義的細菌，即一類形狀細短，結構簡單，多以二分裂方式進行繁殖的原核生物。它是一類與細菌（狹義）、放線菌、藍細菌、立克次氏體和衣原體處於統一級別的原核生物。廣義的細菌即為原核生物，即「三菌三體」6種類型。本文提及的細菌指的是廣義的細菌。

2016年3月25日/生物谷BIOON/--在一項新的研究中，來自美國國家標準與技術研究院、克雷格-文特爾研究所（J. Craig Venter Institute）、加州大學聖地牙哥分校和合成基因組公司（Synthetic Genomics）的研究人員刪除一種細菌將近一半的基因，構建出一種仍然能夠發揮功能的簡裝版（stripped-down version）基因組。這一成就有可能揭示出生命工作機制的秘密。它可能也有助於科學家們定製構建新的細菌用於製造藥物和其他有價值的物質。相關研究結果發表在2016年3月25日的Science期刊上，論文標題為「Design and synthesis of a minimal bacterial genome」。

這種新構建的細菌比任何自然條件下自由生活的同類細菌擁有更少的遺傳密碼，共53.1萬個鹼基對，含有473個基因。相比較之下，人類含有30億多個鹼基對，含有2萬多個基因。

但是即便這種簡裝版細菌也是充滿神秘。研究人員說，他們一點都不知道它的三分之一基因（將近160個基因）到底起著什麼作用。

論文通信作者、克雷格-文特爾研究所創始人J. Craig Venter說，「我們證實生命的確非常複雜，即便最為簡單的有機體，也是如此。這一發現是非常震撼人心的。」

論文第一作者Clyde Hutchison III在採訪中說，其中的一些神秘基因可能是發現生命未知基本過程的線索。

這種簡裝版DNA密碼，或者說基因組，包含在一種全新構建出的被稱作JCVI-syn3.0的細菌中。這種基因組還不是構成生命所必需的數量最少的一組基因。一方面，如果研究人員從不同的細菌中刪除DNA序列，他們很可能最終發現另一組基因[也能維持生命]。另一方面，一種有機體所需的最小基因組依賴於它生活的環境。

這種新的簡裝版基因組也含有很可能並不是生命絕對必需的基因，這是因為這些基因雖然並不是絕對必需的，卻能有助這種細菌群體足夠快的生長從而使得實驗室研究得以進行。

Hutchison說，這種基因組是他們能夠獲得的最小基因組，擁有這種最小基因組的有機體是大有用處的。

他說，這項研究的一個目標是理解活細胞中每個基因的作用是什麼，從而有助人們深入理解細胞的工作機制。他說，利用這種新構建出的細菌，他們將能更接近這一目標。

論文共同作者、合成基因組公司研究員Daniel Gibson說，使用這種最小基因組的細菌的另一個目標就是以此作為基礎，加入新的基因讓這些有機體製造藥物、燃料和可用於營養和農業等領域的其他物質。

在這項研究中，研究人員以被稱作絲狀支原體（Mycoplasma mycoides）的人工合成細菌JCVI-syn1.0開展研究，其中這種細菌通常在綿羊體內生存。JCVI - syn1.0基因組大小為107.9萬個鹼基對，含有大約900個基因。他們鑑定出428個非必需的基因，並將它們刪除，從而構建這種簡裝版基因組，並證實它完全足夠讓一種細菌存活。

未參與這項研究的科學家們也覺得這項研究了不起。德國哥廷根大學科學家Jorg Stulke說，「我發現這篇論文確實是突破性的。」他當前正在另一種不同的細菌中開展類似的研究。在電子郵件中，他說，這些研究人員似乎非常接近獲得絲狀支原體所需的最小基因組。

美國耶魯大學科學家Ferren Isaacs將這項研究稱為「一項令人印象深刻的精心傑作」，它可能是「鑑定出一系列最小基因組」的開始。（生物谷 Bioon.com）

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Design and synthesis of a minimal bacterial genome

doi:10.1126/science.aad6253

Clyde A. Hutchison III,Ray-Yuan Chuang1,†,‡,Vladimir N. Noskov1,Nacyra Assad-Garcia1,Thomas J. Deerinck2,Mark H. Ellisman2,John Gill3,Krishna Kannan3,Bogumil J. Karas1,Li Ma1,James F. Pelletier4,§,Zhi-Qing Qi3,R. Alexander Richter1, Elizabeth A. Strychalski4,Lijie Sun1,||,Yo Suzuki1,Billyana Tsvetanova3,Kim S. Wise1,Hamilton O. Smith1,3,John I. Glass1,Chuck Merryman1, Daniel G. Gibson1,3, J. Craig Venter

We used whole-genome design and complete chemical synthesis to minimize the 1079–kilobase pair synthetic genome of Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0. An initial design, based on collective knowledge of molecular biology combined with limited transposon mutagenesis data, failed to produce a viable cell. Improved transposon mutagenesis methods revealed a class of quasi-essential genes that are needed for robust growth, explaining the failure of our initial design. Three cycles of design, synthesis, and testing, with retention of quasi-essential genes, produced JCVI-syn3.0 (531 kilobase pairs, 473 genes), which has a genome smaller than that of any autonomously replicating cell found in nature. JCVI-syn3.0 retains almost all genes involved in the synthesis and processing of macromolecules. Unexpectedly, it also contains 149 genes with unknown biological functions. JCVI-syn3.0 is a versatile platform for investigating the core functions of life and for exploring whole-genome design.

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