在实验室中伪造的人造生命？科学家创造出正常生长和分裂的合成细胞

简单的合成细胞JCVI-syn3A的说明。

新发现揭示了控制生命最基本过程的机制。

五年前，科学家创造了一种只有473个基因的单细胞合成生物，是迄今为止已知的最简单的活细胞。但是，这种类似细菌的生物在生长和定居时的行为异常，产生形状和大小截然不同的细胞。

现在，科学家们已经确定了七个可以添加的基因，以驯服细胞的不守规矩的性质，使它们整齐地变成均匀的球体。这项成就是由J. Craig Venter研究所（JCVI），美国国家标准与技术研究所（NIST）和麻省理工学院（MIT）的位与原子中心合作完成的，在《细胞》杂志上进行了描述。

鉴定这些基因是工程合成有用细胞的合成细胞的重要一步。这种细胞可以充当生产毒品，食品和燃料的小型工厂。发现疾病并生产药物治疗体内疾病；并充当微型计算机。

但是，要设计和构建一个完全符合您想要的功能的单元，它有助于将必要的零件及其专有技术结合在一起。

NIST细胞工程小组负责人，研究的共同作者伊丽莎白·斯特里查尔斯基（Elizabeth Strychalski）说：“我们想了解生活的基本设计规则。”“如果这个小组可以帮助我们发现和理解这些规则，那么我们就出发了。”

一段延时录像，显示了J.Craig Venter研究所，美国国家标准与技术研究所和麻省理工学院钻头与钻探技术中心之间的研究合作，在光学显微镜下合成生物JCVI-syn3A的细胞正在生长和固定。原子。比例尺代表50微米。

JCVI的科学家在2010年构建了第一个具有合成基因组的细胞。他们并没有完全从头开始建立该单元。取而代之的是，它们从非常简单的一种称为支原体的细菌的细胞开始。他们破坏了这些细胞中的DNA，并用在计算机上设计并在实验室合成的DNA取代了它。这是地球生命史上第一个具有完全合成基因组的生物。他们称其为JCVI-syn1.0。

从那时起，科学家们一直在努力将该生物剥离至其最低遗传组成。他们五年前创建的称为JCVI-syn3.0的超简单单元可能太简约了。研究人员现在已经向该细胞添加了19个基因，包括正常细胞切割所需的7个基因，以创建新的变体JCVI-syn3A。该变体具有少于500个基因。从数字上看，生活在肠道中的大肠杆菌大约有4,000个基因。一个人体细胞大约有30,000个。

“我们想了解生活的基本设计规则。如果这个小组可以帮助我们发现和理解这些规则，那么我们就出发了。”— Elizabeth Strychalski，该研究的合著者和NIST细胞工程小组的负责人

在合著者约翰·格拉斯（John Glass）的带领下，JCVI的合成生物学小组花了数年的心血来鉴定另外七个基因。共同首席作者兼JCVI科学家孙立杰通过系统地添加和删除基因，构建了数十种变异株。然后，她和其他研究人员将观察这些遗传变化如何影响细胞的生长和剪切。

NIST的作用是在显微镜下测量由此产生的变化。这是一个挑战，因为细胞必须活着才能观察。使用强大的显微镜观察死细胞相对容易。对活细胞进行成像要困难得多。

将它们固定在显微镜下特别困难，因为它们非常小巧。一百或更多将适合单个大肠杆菌细菌。微小的力量会将它们撕裂。

一段延时录像，显示了J.Craig Venter研究所，美国国家标准与技术研究所和麻省理工学院钻头与钻探中心之间的研究合作，在光学显微镜下生长的JCVIsyn3.0合成生物的细胞。原子。比例尺代表50微米。

为了解决这个问题，Strychalski和MIT的合著者James Pelletier，Andreas Mershin和Neil Gershenfeld设计了一种微流控化学恒温器（一种小型水族馆），可以在光学显微镜下保持细胞的饱足和快乐。结果是定格录像，显示合成细胞正在生长并呈胶合状态。

该视频显示了五年前创建的JCVI-syn3.0细胞，其形状和大小各不相同。一些细胞形成细丝。其他人似乎并没有完全分开，而是像串珠子一样排成一行。尽管种类繁多，但所有这些细胞在遗传上都是相同的。

该视频显示了新的JCVI-Syn3A细胞在形状和大小更均匀的细胞中的位置。

这些视频和其他类似的视频使研究人员能够观察他们的基因操作如何影响细胞的生长和剪切。如果删除某个基因破坏了正常过程，他们会把它放回去再尝试另一个。

佩莱蒂埃说：“我们的目标是了解每个基因的功能，以便我们能够开发出一个完整的细胞运作模型。”

但是这个目标尚未实现。在添加到该生物体中以进行正常细胞切割的七个基因中，科学家们知道其中只有两个能做什么。尚不清楚其他五个在细胞裂解中的作用。

“生活仍然是一个黑匣子，”斯特拉查尔斯基说。但是，通过这种简化的合成电池，科学家可以很好地了解内部发生的事情。

参考：James F. Pelletier，Sun Lijie Sun，Kim S. Wise，Nacyra Assad-Garcia，Bogumil J. Karas，Thomas J. Deerinck，Mark H. Ellisman，Andreas Mershin和Neil撰写的“在基因组上最小的细胞中进行细胞切割的基因要求” Gershenfeld，Ray-Yuan Chuang，John I.Glass和Elizabeth A.Strychalski，2021年3月29日，Cell.DOI：
10.1016 / j.cell.2021.03.008