人造生命這種事兒……真能實現嗎?

2021-01-19 冷泉港內玩基因


眾所周知，細胞是生命的基本組成單位。而細胞中的基因組，攜帶了細胞所有遺傳密碼。基因組的表達依賴於細胞質中的一些細胞器的功能，反過來，細胞質的性質是由基因組編碼的指令決定的。因此，基因組作為遺傳指令，決定著生命的形態、結構、代謝與繁殖等生命發育與生命機能的運作，常被我們稱為生命的「藍圖」或「食譜」，這部天書中蘊藏著生命生、老、病、死的全部信息。


我們也可以將基因組看作是一個電腦軟體；DNA測序技術可以幫助我們讀取該軟體的代碼。但是，即使這些代碼放在眼前，非專業的人也無法知道各部分的功能與作用；同樣，雖然我們能夠通過測序的方式獲得基因組序列，但破譯細胞的作業系統仍是一個艱巨而繁重的任務。


生物學的一個重要的目標就是了解細胞中每個基因的生物學功能，讀懂這部生命天書。了解各基因的功能便能更進一步的探索生命的奧秘，更進一步地接近生命的本來面目。解決這個問題的一種方法是找到一個最小的基因組，其中只包含生命必需的基因。那麼，人類能夠獲得生命所需的最小的基因組嗎？


1984年，科學家找到了已知的能自主生長的最簡單的細胞——支原體，並將其用作理解生命基本原理的模型。1995年，研究人員得到了第一個完整的細胞基因組序列(流感嗜血桿菌，1815個基因，生殖支原體，525個基因)。1999年，科學家們通過實驗證明，儘管生殖支原體擁有自然界中已知的最小的自主複製細胞基因組，但它仍包含了許多在實驗室環境下生長不重要的基因。這意味著實驗室中有可能生產出比任何天然細胞都簡單的最小基因組細胞。


2010年5月，一條爆炸性的新聞向世人砸來，科學狂人Craig Venter高調地向世界宣布——世界上第一個人造生命「Synthia」誕生了！(Synthia，辛西婭，意為「人造兒」)。Synthia細胞的基因組全長1079kb，以支原體基因組為基礎進行化學合成而來。可以說Synthia是一個以計算機為父為母的、可進行自我複製與繁殖的人工合成生命。


圖1：世界上第一個人工合成生命——「Synthia」
圖片來源於網絡


自第一個基因組序列成功合成以來，科學家們在許多細菌模型中，利用比較基因組學的方法進行了大量的工作，以識別非必需基因和定義保守遺傳功能的核心編碼基因。通常，幾個不同的基因產物均能表達某一特定的基本功能。在這種情況下，這幾個基因都不是必需的，也不一定是保守的。因此，這一序列不能被認為是維持生命的最小的基因組。Craig Venter團隊開始著手於設計和構建一個生命所需的最小的細胞基因組，並測試它的生存能力，確定每個基因的分子和生物學功能。


2016年，Hutchison III等人成功地將Synthia基因組JCV-syn1.0（1079 kb）改造成為JCV-syn3.0（531 kb）。它的基因組比自然界中任何自主複製的細胞都要小。JCV-syn3.0共含有473個基因，其保留了參與轉錄、翻譯等關鍵過程的基因，儘管如此，出乎意料的是還含有149個未知生物功能的基因，這說明仍存在對生命至關重要的、但至今未被科學家發現的基因功能。


JCVI-syn3.0的倍增時間約為180分鐘，所產生的菌落形態與JCVI-syn1.0相似，在顯微鏡下觀察具有多態性。


圖2：人工合成的一簇JCVI-syn3.0細胞

圖片來源於參考文獻


構建最小基因組乍看起來似乎很簡單，但經過仔細檢查就會發現其構建過程非常複雜。生物的基因組中，並非只含有必需基因和非必需基因，除此之外還有許多準必需基因，它們對生物的生存能力不是絕對重要的，但卻是茁壯成長所必需的。因此，在基因組最小化的過程中，基因組的大小和生長速度之間需要權衡。事實上，JCVI-syn3.0是最小基因組長度與實驗室生命體較快生長速度之間的相對最優選擇。


人類對生命、對基因組探索的步伐從未停止，但仍存在很多未解之謎，人造生命「Synthia」的非天然部分只有基因組，仍是藉助酵母的細胞環境進行生長和繁殖，目前的人造生命尚不能完全脫離其細胞環境；另外，生命系統複雜多變，仍有許多基因的功能尚不明確，讓我們共同期待下一次的石破天驚吧！


參考文獻：

Clyde A. Hutchison III, Ray-Yuan Chuang, Vladimir N. Noskov.(2016) Design and synthesis ofaminimal bacterialgenom. Science, 351(6280), add 6253

全文連結：https://science.sciencemag.org/content/351/6280/aad6253


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