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 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“ 辛西娅 ”，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。