解码生命 守护健康

干货 | 靠谱 | 实用

来源：科学网孙学军博客

　　最近，基因组学企业家克雷格·文特尔合成了一种细胞，这种细胞包含是任何已知最小基因组的独立生物体，共有473个功能基因。这个细胞是他团队的一个里程碑成果，近20年探索从头开始利用最粗暴的方法设计出生命。

　　文特尔共同创立一个公司，旨在利用合成细胞制造工业产品，这类细胞工具可以创建定制的细胞药物和燃料等产品。但在强大的“基因编辑”技术爆炸面前，科学家能相对容易和选择性修改基因组实现这些目标，这引出了一个纠结的问题，为什么要从头开始合成细胞，对现成的细胞进行改造不是更简单吗？

　　2010年，文特尔的团队在J. Craig Venter研究院成功合成出第一个合成细胞，最新的工作思路是对现存细菌基因组进行复制，然后将这种合成的基因组移植到另外一个细胞内，这个基因组与任何自然界的细胞都不同。文特尔说2016年3月24日（今天）发表在《科学》杂志上的论文中描述的细胞代表人共物质新时代。

　　英国伦敦国王学院大学合成生物学家Paul Freemont说，人工合成整个基因组是合成生物学的梦想和期望之一。从头设计和合成基因组仍然是一个充满商机的领域，当然也是一个尖端技术。使用CRISPR–Cas9技术的哈佛大学基因组科学家George Church说，对现存基因组进行编辑改造，例如用CRISPR–Cas9已经属于成熟和流行的生物学技术，已经广泛进入工业、农业和医学领域。保守估计，全世界范围内，突然爆发增加到大约3万人使用这一技术。

　　文特尔的团队计划进行生命合成计划时，微生物学家刚刚开始认识到细菌CRISPR免疫系统，也没有意识到这种技术的未来前景。1995年《科学》论文中，文特尔的团队对一类最小的基因组尿道支原体进行了全基因序列分析，描述定位了其中470个基因。然后逐个对这些基因进行灭活，分析这些基因的功能，最后提示其中375个基因是支原体生存必须的基因。

　　为了验证这个假说，一种方法就是制造出只包括这些必需375个基因的支原体，于是文特尔的团队开始通过合成DNA片段从头合成这一基因组，这样一个计划需要开发出新的技术，2008年他们利用新技术完成了这一计划，除了375个基因外，还有一些非功能DNA水印标志。但尿道支原体生长非常缓慢，促使他们转向更多产蕈状支原体的人工合成。这次他们不仅合成了支原体基因组和水印，并将这个基因组移植到另一个被去除基因组的支原体外壳中。2010年JCVI-syn1.0合成细胞的成功是合成生命的曙光，不过2010年的工作是对现存生命基因组的复制，但并没有重新设计生命。为了实现设计生命的目标，文特尔的团队重新设计了483000碱基，包含471个基因，去掉了一些负责生产营养的基因。但是并没有成功制造出活的支原体。但是他们建立了一套设计／制造和验证的工作模式。他们将支原体基因组切断成8个片段，然后进行随机组合观察那种组合能制造出活的细胞。利用这种方法确定出那些基因必需保留。这种方法说明，某些基因序列虽然不编码蛋白质，但是对调节其他基因表达非常必要。

　　最后他们确定了531,000个碱基对，473个基因。对这些序列进行人工合成，制造出JCVI-syn3.0细胞。Syn3.0的倍增时间为3小时，而尿道支原体是18个小时，蕈状支原体是1小时。

　　瑞士联邦理工学院合成生物学家Martin Fussenegger说，正如美国著名物理学家理查德费曼所讲，“我不能创造的东西，我就不了解。”利用这种技术，我们可以任意添加基因，观察会发生什么结果。

　　在所有必需营养支持下，syn3.0细胞能制造蛋白质、复制DNA，并制造出细胞膜。文特尔说，团队还不能确定syn3.0细胞基因组中的149个基因功能，这些基因在其他生物体包括人类也存在。现在正在对这些基因的功能进行深入研究。这说明，人类科学家制造出生命，竟然也不能理解。这让费曼如何解释，也许应该说，“我不能创造的东西，我就不了解。我能创造的东西，也不一定能理解。”

　　Church说，基因编辑技术因为难度小，将会成为大多数科学家首选技术，虽然基因组设计仍然具有独特的应用价值，例如制造新氨基酸等。Fussenegger认为，设计基因组的技术将让科学家对生命起源和基因组进化研究产生影响。文特尔说，如果你只是希望对现存基因组进行少量改造，选择CRISPR就足够了，如果你希望制造新生命，CRISPR就不是好办法了。

End