Cell重磅:科学狂人再出手,创造出可正常生长分裂的人造细胞

2021
03/31

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生物世界
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来源 | 学术头条

1999年, 克莱格·文特尔 创立的塞莱拉生物技术公司宣布与人类基因组计划展开竞争,并于2001年2月16日在 Science 期刊发布了人类基因组草图,以一己之力挑战了六国联合研究团队。

此后,克莱格·文特尔将目光转到了 合成基因组 人造生命方向,并成立了克莱格·文特尔研究所 2010年5月20日,克雷格·文特尔研究所宣布成功制造出 人造细胞 ,并命名为“ 西娅 ”,这也是 世界首例人造生命 。这项里程碑意义的实验表明,新的生命体可以在实验室里“被创造”,而不是一定要通过“进化”来完成。

时间又过去了十年之久,文特尔研究所再次取得重要突破。

2021年3月29日,克莱格·文特尔研究所麻省理工学院美国国家标准与技术研究院等单位的研究人员在国际顶尖学术期刊 Cell 期刊发表了题为: Genetic requirements for cell division in a genomically minimal cell  的研究论文。

该研究成功创造出了一个非常简单的人工合成细胞,更重要的是,该细胞可以正常生长和分裂。


对此,本文共同作者,NIST 细胞工程小组负责人,Elizabeth Strychalski 教授表示,“人工细胞合成的目的是为了更好地了解生命的运行模式,我们希望能通过人工细胞合成来了解每个基因的功能。不过,目前我们的了解仍旧是冰山一角,生命依旧是一个黑匣子”。

图 | JCVI-syn3A 合成细胞在光学显微镜下生长和分裂的过程(来源: E. Strychalski/NIST and J. Pelletier/MIT

人工合成细胞,从梦想到现实

在化学领域,一旦化学家确定了某一新化合物的化学结构,下一步的关键就是尝试人工合成该化学物质,并证明合成物质和天然物质具有相同功能。然而,此前,这一模式在生物学上从未实现。虽然,人类以及确定了 DNA 的结构和排列顺序,但从来没有人独立合成并验证过这其功能。

2003 年,人类基因组计划提前结束,基因组科学进一步发展,人类对于生物世界的探索更进一步。通过 A、T、G、C 四个字母的顺序,人们可以轻松阅读各种生命的遗传密码。那么,在此基础上,人类能否更进一步,人工合成相关基因并激活其功能呢?

2010 年,来自 JCVI 的研究人员,在 克莱格·文特尔Hamilton Smith 以及 Clyde Hutchison 博士的带领下,终于迈出了关键的一步。他们利用支原体,通过人工破坏支原体的 DNA,并用人工合成的 DNA 替代, 成功创造了人类历史上首个人工合成基因组细胞。 这个细胞随后被命名为 JCVI-syn1.0。

第一个人工合成基因组细胞的创建并不容易,这一工作耗费了 JCVI 研究所 20 多名科研人员近 15 年的时间。期间,他们开发了大量的新技术和新工具来构建遗传密码,并学习如何移植基因组,将一个物种变为另一物种。据悉,首个人工合成细胞的基因组由 108 万个碱基组成,是当时实验室合成最大的化学结构。

随后,科学家们便一直努力将该人工合成的细胞优化,尽可能降低其碱基数目,并尝试全人工合成细胞。直到 2016 年,JCVI 的研究人员在 克莱格·文特尔博士等人的带领下,首次创造出了最简单的人造合成细胞,其基因组是迄今为止最小的,仅包含 473 个基因,这一细胞被命名为 JNCI-syn3.0。相比之下,人类细胞的基因数量超过 2 万个。


不过,即便只有 473 个基因,该人工合成细胞依然能够维持生命的基本活动,并具有自我复制能力。对于这一研究结果,克莱格·文特尔博士曾表示,“生命是如此复杂且神奇。事实上,哪怕是仅包含 473 个基因的如此简单的细胞,我们依旧无法完全确定其每个基因的功能。显然,生命是一曲交响乐,而不仅仅多个基因功能的组合”。

十年磨一剑,首个可正常生长分裂人造细胞问世

现在,人造细胞的合成已不再困难,只需 8 种成分:2 种蛋白、3 种缓冲剂、2 种脂肪和一些能量物质,就可以创建一个基本的类细胞结构。5 年前,研究人员虽然成功合成了人类历史上最简单的活细胞,但是,该细胞在生长和分裂时表现异常,产生的都是形状和大小完全不同的细胞。

随后,在 John Glass 博士的领导下,JCVI 的合成生物学小组花费了近 5 年时间,终于找到了 7 个基因,可以帮助调节细胞的增殖和生长。随后,研究人员通过系统的添加和删除基因,构建了数十种变异株,并观察不同基因变化对于细胞生长和分裂的影响如何。

而在这一研究中,NIST 的作用就是通过显微镜观察细胞生长和分裂。虽然,用显微镜观察死细胞是一件非常容易的事情。但是,通过显微镜观察活细胞则是一项艰巨的挑战。因为,在实验中,活细胞非常小巧且很难被固定,轻微的撕扯都会对其造成致命损伤。

为了解决这个问题,NIST 细胞工程组负责人 Strychalski 博士和 MIT 的 James Pelletier,Andreas Mershin 和 Neil Gershenfeld 博士设计了一种微流控恒温装置。这一装置可以协调微小细胞的运动,使其在光学显微镜下任意移动,并保持正常的生命活动。通过这一技术,人们对 5 年前创建的 JCVI-syn3.0 细胞进行了观察,结果发现,其增殖后的细胞形状和大小均不同,不过基因组仍旧是相同的。

图 | 合成 JCVIsyn3.0 在光学显微镜下生长和分裂

通过这一技术,研究人员最终发现,在向 JCVI-syn3.0 细胞中加入了 19 个基因后 (包含 7 个调控生长增殖的基因) ,合成的新细胞 JCVI-syn3A,可以实现正常的分裂增殖。

图 | 合成细胞 JCVI-syn3A 的图示

对此,Pelletier 博士表示,“我们的目标是了解每个基因的功能,以便开发出一个完整的人造细胞。然而,这个目标本次试验尚未完成,在我们添加到其中的控制正常分裂的 7 个基因,仅有 2 个基因的功能是明确的,剩余 5 个基因的作用依旧不清楚”。

参考资料:
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674 (21) 00293-2
https://www.nist.gov/news-events/news/2021/03/scientists-create-simple-synthetic-cell-grows-and-divides-normally
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-03/nios-scs032221.php

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关键词:
基因组,显微镜,细胞,分裂,生长

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