人造生命,让细胞活下来的最小基因组

2019-11-21 作者:奥门金沙手机娱乐网址   |   浏览(109)

2010年,当辛西娅(Synthia)顶着“人造生命”的光环进入人们的视野时,世界沸腾了。分子克隆技术问世40年后,科学家们仿佛终于扮演了一回上帝的角色,构造出从未存在过的生命形式。

核心提示:日前,国内各大媒体均以《世界首个人造生命在美诞生》为题,报道美国生物学家克雷格·文特尔(J. Craig Venter)在实验室中重塑“丝状支原体丝状亚种”的DNA,并将其植入去除了遗传物质的山羊支原体体内,创造出历史上首个“人造单细胞生物”。这一成果被报道后,引起了社会各界的广泛关注,我们究竟该如何看待这一成果呢?日前,国内各大媒体均以《世界首个人造生命在美诞生》为题,报道美国生物学家克雷格·文特尔(J. Craig Venter)在实验室中重塑“丝状支原体丝状亚种”的DNA,并将其植入去除了遗传物质的山羊支原体体内,创造出历史上首个“人造单细胞生物”。这一成果被报道后,引起了社会各界的广泛关注,我们究竟该如何看待这一成果呢?辛西娅——后基因组时代生命科学发展的必然结果早在1995年,文特尔便开始了对生殖道支原体进行基因测序研究。选取生殖道支原体作为研究对象,只是因为它只有1条染色体和517个基因,是人类目前发现的基因组最小的生物。1999年1月,文特尔又进一步确定这些基因中的必需基因。并在《科学》杂志发表论文提出“最小基因组”的概念,即任何独立生存的生物,至少需要300个基因才能保持生存,并大胆作出“十年之内可能出现人造生命”的预言。2007年6月文特尔创立了被称为“造物术”的染色体移植技术,实现了完整基因组在物种之间的转移;2008年1月,文特尔合成丝状支原体的最小基因组;2009年,文特尔将丝状支原体的最小基因组移植到去除DNA的山羊支原体体内;2010年3月,文特尔证实含有人造DNA的山羊支原体能够正常生长繁殖。历时15年的孕育,“辛西娅”终于诞生。退回10年,以上每一步工作都异常艰辛,但是进入“后基因组时代”,被誉为“解析生命密码”的DNA测序变得成本越来越低,速度也越来越快。当年耗时数年、耗费数百万美元的工作,今天也许在几天内,仅花费几千美元就可以解决。另外,基因数据库内容不断扩充,DNA合成技术日臻成熟,染色体移植技术开始出现。因此,辛西娅的诞生,在业内人士看来并不突然。“首次创造生命”之说言之过甚新闻媒体中广为使用的“首次合成人工生命”之说,并不严谨。文特尔的成功之处,在于用化学试剂合成了人工染色体,并在另一微生物中显示出生物功能。DNA是决定生物性状的遗传密码,却不是生命的唯一组成部分。从这个意义上讲,文特尔只不过创造了部分生命。这项研究成果最为直接的意义,只是人造的支原体可以利用化学合成的染色体生存繁殖,并导致山羊的乳腺炎。事实上,文特尔本人在美国《科学》杂志上发表的文章题目更为客观、严谨——《首次合成由化学合成基因组控制的细菌》。《科学》杂志的相关评论指出,这项研究成果其实并不是首次创造新的生命形式,科学的定义应该是“生命再创造”或“篡改生命”。因为辛西娅除了染色组是人工合成外,生命体的其他组分均是来自于已有生命形式。但是,无论如何,这项历时15年、耗资4000万美元的科研成果,毕竟是人类生命科学发展的一大进步。英国《经济学家》将此成果与上世纪的原子弹爆炸相提并论,后者直接结束了第二次世界大战,但其意义多限于人类对自然的破坏。而辛西娅的诞生则意味着人类创造了自然,利用该技术短期内可以为人类制造环保的燃料。从长远的角度看,它的深远影响更是难以预估。辛西娅的诞生,再次将文特尔推到新闻媒体的镁光灯下,这让人不禁想起10年前的一幕。文特尔代表自己的私人公司塞莱拉基因公司(Celera Genomics)和公共财政资助的国际人类基因组计划项目负责人朗西斯·柯林斯联合宣布,完成了人类基因组草图的绘制。当年,文特尔研究人类基因组的商业动机为世人所不齿。极具戏剧色彩的是,10年后,同一主人公在人类历史上首次合成单细胞生物,舆论又是一片哗然。这次,批评家更是将此举比作“科学怪兽对上帝的冒犯”。2000年,文特尔和柯林斯宣布完成人类基因组框架图时,人们对这一伟大工程报以种种美好愿景。可是,“后基因组时代”的10年,我们一方面看到了生命科学的发展突飞猛进,另一方面,不得不对HGP研究成果不能直接用于医疗实践表示遗憾。今年4月《自然》杂志推出专刊讨论《人类基因组测序十年记》。5月21日“首个单细胞生命”在文特尔手中诞生。这一历史突破,可视为是对“人类基因组测序完成十周年”的最好纪念,同时也是对近10年的“后基因组时代”生命科学迅速发展的最好诠释。合成生物学——人工合成还是歇斯底里?根据文特尔的预言,随着合成生物学的发展,21世纪人类所面临的种种问题,如资源耗竭、气候变暖等都将最终由人造生命——微生物来解决。合成生物学是“后基因组时代”生命科学研究的新兴领域。该学科通过对多种天然的或人工设计的生物学元件进行合理、系统的组装,实现生命系统的重构。该技术将“结构基因时代”的DNA解构发展为“后基因组时代”的生命建构。这一由破到立的方式转变,是生命科学不断发展的必然结果。2002年,纽约大学病毒学家埃卡德·维默尔宣布利用购买的DNA片段,制造出了人工合成的脊髓灰质炎病毒。2003年,美国麻省理工学院成立了“标准生物部件”登记处,收集标准生物部件,供全世界科学家索取,组装人造生命。2005年,美国麻省理工学院的恩迪提出了合成生物学的思想体系,包括标准化元件的使用,标准组装方法以及系统的抽象化。2010年,文特尔利用合成生物学的手段创造出世界首个单细胞生物。将合成生物学的发展推向了新的高度。合成生物学的核心研究内容在于重塑生命。人们可以利用化学试剂直接合成染色体,进而创造新的物种。这种做法打破了“自然”与“非自然”的界限,因此,合成生物学的发展过程一直伴随着人们对该学科伦理道德的争论。对于保守人士来说,生物合成学是对“行使造物权力的上帝”的最大冒犯。生物合成学的重要成果 “人工合成”(Synthetic)则被称为“综合歇斯底里”(Synthetic hysteria)。但是科学的发展是不可逆转的,DNA的演化与变异将不再仅仅发生在自然界,它同样可以在实验室的试管中完成。通过对现有生物体有目的的改造,可以在未来使用“人工生命”合成新医药材料、生物燃料,并可以降解有机废物和吸收二氧化碳。这些应用才是生物学家开创合成生物学的真正初衷。当生命科学进入后基因组时代的第10年,合成生物学开始制造人工生命。我们感叹于现代科技的高度发达。但这项研究成果不应当被看做是人类征服自然的手段,我更愿意将此看做是自然教授给人类的又一新知,是人类“道法自然”的更高境界。面对“人造生命”带来的种种困惑,让我们重温诺贝尔奖得主史怀哲,在一个世纪前关于“敬畏生命”的论述:有思想的人体验到必须像敬畏自己的生命意志一样敬畏所有的生命意志,他在自己的生命中体验到其他生命。对他来说,善是保存生命、促进生命,使可发展的生命实现其最高价值;恶则是毁灭生命、伤害生命,压制生命的发展。关键字:人造生命 生命科学发展

辛西娅既无法欣赏自己的名字,也意识不到自己给人类带来了多大的震撼——它是一种细菌。六年前,克雷格·文特尔(Craig Venter)和他的团队以丝状支原体(Mycoplasma mycoides)的基因组作为模板,化学合成出一整套支原体的基因组,并将它移植到除去了DNA的山羊支原体(Mycoplasma capricolum)细胞内。这套人工合成的基因组最终指导它所在的细胞活了下来,喜出望外的研究者给了它一个必将被铭记的名字:辛西娅。

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克雷格·文特尔(Craig Venter)作为封面的杂志,标题写着“扮演上帝”。图片来源:origos.hu

尽管被当成扮演上帝的人,但作为生物学家的文特尔,看待自己的创造并不带任何神学色彩。在他看来,生物的基因组就好比一份系统软件,基因测序技术的发展使人们能够“阅读”生命在亿万年的时间演化出的种种“代码”。而辛西娅的出现,证明了人类也可以自己码一套能用的系统软件。

但这只是刚刚开始。文特尔真正希望做到的,是透过无数个版本的代码看到软件运行的本质——在基因组中抽丝剥茧,提炼出生命之所以能成为生命的基石。为此,辛西娅不能止步于辛西娅。从诞生的那一刻起,它便只是“辛西娅1.0”。生来便是为了向辛西娅2.0迈进。

辛西娅2.0:刷新最小基因组纪录的微生物

辛西娅1.0的诞生并不容易。它的基因组有901个基因,超过100万个碱基对(bp),没有办法一次合成。以当时的技术,文特尔和同事只能选择分段分步合成。利用大肠杆菌和酿酒酵母这两种常见的模式生物作为宿主,他们将合成了1078条大约1000bp的DNA片段,然后组装成辛西娅的基因组(Syn1.0)。

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辛西娅(Synthia)的诞生:1078条DNA片段分布组合成一条长达1078809bp的人工基因组。图片来源:wordpress.com

在能自主复制的细胞中,身为支原体的辛西娅已经有着很小的基因组。为了在不同环境中活下来,细菌通常会携带很多具备不同功能的基因来应对环境变化,走哪打哪的大肠杆菌就有大约4000个基因。相比之下,在动物宿主体内吃饱穿暖的支原体,则在漫长的演化年月里丢弃了那些在稳定环境中派不上用场的基因。早在20年前,文特尔就知道在所有可自我复制的细胞中,已知最小的基因组来自生殖支原体(Mycoplasma genitalium)——它仅仅包括525个基因。20年后,辛西娅的基因组能不能精简到比它更小?

带着这样的问题,文特尔和生物化学家克莱德•赫钦森(Clyde A. Hutchison III)等人开始了简化辛西娅“代码”的旅程。目标只有一个:得到一个能够支持辛西娅完成生存的最小基因组(minimal genome)。

怎么做?把辛西娅体内那些被删了也不会致死的基因删掉,把删了就活不下去的基因留下。完事。听起来很简单明了,可是,哪些基因是可以删的呢?

文特尔等人设计了这样一个实验:随机往Syn1.0上的基因插入转座子(一类DNA序列),使原来的基因失活——原本的“代码”被打乱。之后,他们将处理后的辛西娅菌株培养40代,最终收集得到的菌落,分别进行测序。此时,辛西娅的基因被分为以下三种情况:

  1. 如果一个基因同时在第一代和最后一代都“健在”,就表示这个基因不能缺——它们都是幸存者。这个基因失活的辛西娅,都活不到被收集那一代,所以它是“必需基因”;
  2. 如果一个基因在第一代和最后一代都是失活的,证明这一基因可以被敲除——有它没它都不会影响支原体的生长,所以它是“非必需基因”;
  3. 如果一个基因在第一代被失活了,到在最后一代却好好的,证明这一基因既重要又不是至关重要——没有它辛西娅不会死,但影响宿主的代谢状态,减缓生长速度。这样的基因被分类为“半必需基因”。  

按照这样的分类,在Syn1.0上的必需基因有240个,非必需基因有432个,半必需基因有219个。好了,你也许会想,把这240个留下,其他统统干掉,不就大功告成了吗?

可惜,事情并没有那么简单。

在细菌中,存在这样一种情况:比如细胞携带两个基因,A和B,它们都可以合成糖分。无论缺失了A或B,尚存另外一个同伴都会完成“逝去者”的任务——在这种情况下,A或B很容易被各自当成无关紧要的基因。但当A和B同时不在时,糖分的生产可就成了大问题了。而在一些情况下,这些问题是会致命的。

为了解决这一难题,文特尔等人做了这样的设计:他首先将Syn1.0分割成8段(标记为Syn1.0 1-8),按照上面的数据删除这个片段上几乎所有的非必需基因,得到另外一组精简过的基因组(标记为RGD1.0 1-8)。然后,依次用RGD版的基因组片段置换对应的Syn版,检查是否能够得到具有稳定遗传功能的基因组。

他们最终发现,RGD1.0的2,6,7,8号基因序列和Syn1.0的1,3,4,5这8段基因拼合回一起,能够得到可用的基因组。

由于Syn1.0和RGD1.0的序列都是已知的,经过比较,研究者很快找到RGD1.0的1,3,4,5中有哪些基因是被误删的必需基因。按照这样的思路,研究人员很快得到了RGD2.0版基因组。随着一层一层的优化,研究人员最终得到了Syn2.0——它是由RGD2.0的7段基因片段,和Syn1.0的1段基因片段组成的基因组。把Syn2.0移植到山羊支原体的细胞中,辛西娅2.0能够在培养基中存活和繁殖。

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Syn2.0设计、合成示意图。图片来源:本文作者绘制

看回Syn2.0的基因组的大小,研究者发现它跟Syn1.0比起来“精简”了几乎一半。再看基因数目,这个长为576kbp的基因组中携带的基因只有512个,比生殖支原体的基因组还小!至此,“人造生命”辛西娅2.0成为了拥有最小基因组的、可以自行繁殖的细胞。

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